循環加載下TB991焊接密封膠力學行為的實驗和理論研究

密封膠被廣泛應用在汽車工業(ye) 、建築工程等領域，其在服役過程中常常需承受複雜的循環載荷，在可靠性評估中應充分考慮循環載荷對密封膠變形行為(wei) 的影響。近日，鄭州大學的張軍(jun) 教授團隊對循環加載條件下密封膠的力學行為(wei) 展開實驗和理論研究。通過開展不同應變幅和平均應變的循環實驗來分析鬆弛應力、循環軟化和耗散能的演化規律，並提出了一種黏彈本構模型來描述密封膠的循環變形行為(wei) 。

圖1 循環加載實驗結果：應力-應變響應曲線、鬆弛應力、循環軟化以及耗散能量演化

本文的主要工作如下：首先在應變控製下對TB991密封膠開展了循環加載實驗，研究了平均應變和應變幅對循環鬆弛應力、循環軟化變量和耗散能的影響（圖2）。然後根據循環載荷下密封膠的應力應變響應，提出相應的黏彈本構模型。所提出模型可良好描述密封膠在單圈加-卸載、循環加-卸載下的應力-應變響應以及循環應力鬆弛和軟化現象。最後，通過計算結果與(yu) 實驗數據的比較，驗證了所提出模型的有效性和準確性。

圖2不同應變幅值下的循環拉伸實驗結果

基於(yu) 熱力學原理的黏彈本構模型已被用來描述聚合物的非線性力學行為(wei) ，其基本思想是將線彈性變形與(yu) 符合高聚物力學行為(wei) 的非線性黏彈變形相疊加以建立統一的本構模型。為(wei) 描述首圈加-卸載和循環加-卸載之間應力應變曲線的不同形狀，本文提出了初始加載以及循環加載下各自的黏性應變增量函數，引入循環應力鬆弛函數以控製密封膠的鬆弛應力，進而構建出可良好描述黏彈材料循環加-卸載的應力-應變響應以及循環應力鬆弛和循環軟化的黏彈本構模型。

圖3蠕變柔量主曲線與(yu) 笛卡爾坐標中折減時間的關(guan) 係

通過開展蠕變實驗並對蠕變曲線進行時間-應力等效以獲取模型參數，計算獲得了密封膠在應變控製下的循環變形的應力-應變響應。理論與(yu) 實驗結果對比（圖4）表明：材料的循環應力鬆弛和循環軟化在初始循環加載階段較為(wei) 嚴(yan) 重，隨著循環圈數的增加而逐漸穩定；應變幅對耗散能的影響比平均應變更顯著。理論計算的應力-應變曲線與(yu) 實驗結果吻合良好，該模型可較好描述應力-應變響應在首圈加-卸載和循環加-卸載下的形狀差異。

圖4 不同平均應變下模型預測與(yu) 實驗對比

在本研究中，所提出黏彈循環本構並未討論循環周期對應力-應變響應的影響，由於(yu) 黏彈性高聚物顯著的時間依賴性，有必要圍繞循環周期的影響展開進一步的研究。此外，若黏彈性軟材料具有先軟化後硬化的複雜超彈特征，其在不同應力水平下的循環變形行為(wei) 也可能表現出循環軟化或循環硬化，材料黏彈性與(yu) 超彈性對循環變形的影響是耦合且複雜的，有必要可以對此問題進行深入研究。

相關(guan) 研究論文以“Experimental and theoretical investigation on mechanical behaviors of TB991 weld sealant under cyclic loading"為(wei) 題發表在《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》。