單軸和雙軸循環(huán)加載下黏彈性軟粘接劑的棘輪應(yīng)變和循環(huán)軟化研究

     隨著工業(yè)制造業(yè)對結(jié)構(gòu)輕量化需求的日益增加，軟粘接劑在汽車、航空航天和電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。軟粘接劑在循環(huán)加載工況下的疲勞失效將顯著影響粘接結(jié)構(gòu)的安全使用。考慮到軟粘接劑往往表現(xiàn)出顯著的黏彈性，研究黏彈性軟粘接劑在復(fù)雜路徑多軸循環(huán)加載下的變形對粘接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計和安全評估具有重要意義。近日，鄭州大學(xué)張軍教授團(tuán)隊(duì)開展了具有黏彈性的改性聚氨酯軟粘接劑HP-172B在單軸拉伸及雙軸多路徑應(yīng)力控制循環(huán)加載工況下的變形行為的實(shí)驗(yàn)研究（圖1），并建立了可描述上述復(fù)雜變形的循環(huán)本構(gòu)模型。

圖1 雙軸加載路徑示意圖：(a) 比例路徑；(b) 菱形路徑；(c) 環(huán)形路徑；(d) 橢圓形路徑。

      本研究首先制備了啞鈴狀改性聚氨酯軟粘接劑試樣，并開展了單軸拉伸循環(huán)實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，具有黏彈性特性的軟粘接劑在循環(huán)加載下發(fā)生了持續(xù)的循環(huán)蠕變及棘輪應(yīng)變累積。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，軟粘接劑發(fā)生了循環(huán)軟化并伴隨著耗散能的逐漸減少。為描述該演化規(guī)律，本研究提出了一個非線性黏彈性本構(gòu)模型，該模型考慮了材料黏彈特性，基于唯象的Kelvin模型和Maxwell模型，構(gòu)建了包含應(yīng)變累積函數(shù)和斜率函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式以預(yù)測材料在循環(huán)加載下的棘輪應(yīng)變累積及循環(huán)軟化行為。

圖2 單軸加載循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果

圖3 不同加載路徑下軟粘接劑的應(yīng)變響應(yīng)曲線

      考慮到實(shí)際服役中軟粘接劑可能還需要承受雙軸循環(huán)加載，因此，本研究進(jìn)一步開展了考慮復(fù)雜加載路徑的雙軸拉伸循環(huán)加載試驗(yàn)。相較于單軸循環(huán)加載，非比例加載路徑會導(dǎo)致更顯著的棘輪應(yīng)變累積，且棘輪應(yīng)變的演化規(guī)律與加載路徑強(qiáng)相關(guān)（圖3）。在非比例循環(huán)加載工況下，不同方向上的拉伸變形導(dǎo)致分子鏈間相互作用改變，使分子鏈的黏性恢復(fù)相較于比例加載更困難最終表現(xiàn)為不同的棘輪應(yīng)變累積規(guī)律。此外，不同加載路徑下軟粘接劑表現(xiàn)出不同的耗散能演化規(guī)律，非比例加載路徑對應(yīng)的初始耗散能和總耗散能均高于比例加載路徑，這表明非比例加載路徑可能對材料造成的損傷更大。為描述復(fù)雜加載路徑下的材料變形，本研究通過引入加載路徑系數(shù)發(fā)展了一個雙軸多路徑循環(huán)本構(gòu)模型。該模型通過調(diào)整加載路徑系數(shù)描述不同加載路徑對材料棘輪應(yīng)變的額外影響，從而準(zhǔn)確預(yù)測雙軸循環(huán)加載工況下的力學(xué)響應(yīng)（圖5）。

圖4 不同加載路徑下棘輪應(yīng)變和耗散能隨循環(huán)圈數(shù)的演化

圖5 雙軸多路徑循環(huán)加載條件下模型計算與試驗(yàn)結(jié)果對比

      綜上所述，本研究重點(diǎn)關(guān)注了軟粘接劑循環(huán)變形過程中不同加載路徑工況下棘輪應(yīng)變、循環(huán)軟化與材料損傷的關(guān)系，該研究結(jié)果有助于軟粘接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計和開發(fā)。值得一提的是：本研究將加載路徑系數(shù)視為一個僅與加載路徑相關(guān)的參數(shù)，而實(shí)際上，此參數(shù)可能與循環(huán)圈數(shù)相關(guān)。通過考慮循環(huán)圈數(shù)對加載路徑系數(shù)的依賴性，并對其進(jìn)行相應(yīng)的修正，可進(jìn)一步提高理論預(yù)測的精確性。

      相關(guān)研究論文以“Investigation on the ratcheting strain and cyclic softening of viscoelastic soft adhesive under uniaxial and biaxial cyclic loadings"為題發(fā)表在《International Journal of Fatigue》。