基於直接法的短纖維增強熱塑性塑料端部切口彎曲試驗的II型內聚力律的驗證

在工業(ye) 輕量化趨勢下，短纖維增強熱塑性塑料因其易加工、成本低的優(you) 勢，應用日益廣泛。在多結構設計的應用中，需將短纖維增強熱塑性塑料與(yu) 其他材料進行粘接，而如何準確有效地預測其粘接接頭的強度，以確保結構的安全成為(wei) 亟需解決(jue) 的問題。針對這一問題，日本慶應大學的Masaki Omiya提出了利用直接法計算兩(liang) 種（Based on J, Based on G）J積分值以獲取內(nei) 聚力模型（CZM）參數，並基於(yu) 此方法開發了一種預測使用短纖維增強熱塑性塑料作為(wei) 被粘件的粘接接頭強度的方法，為(wei) 相關(guan) 產(chan) 品的設計與(yu) 性能評估提供了更精確的工具。

圖 1 端部切口彎曲（ENF）試驗示意圖及分析參數說明

本文通過端部切口彎曲（ENF）試驗來模擬接頭在剪切力作用下的II型失效過程。被粘件為(wei) 短纖維增強熱塑性塑料，粘接劑為(wei) 環氧樹脂，在進行試驗之前采用激光燒蝕處理被粘件表麵，使用金屬薄膜和特氟龍膠帶來控製膠層厚度並預製初始裂紋。試驗過程中采用位移控製的方式進行三點彎曲加載。最後結合分析所得的CZM參數進行有限元分析（圖2），以驗證本文所用方法的正確性。

圖 2 ENF試驗有限元分析的邊界條件和網格模式

研究人員利用ENF試驗數據考慮了II型斷裂J積分的兩(liang) 種不同形式：一種考慮了被粘件塑性變形所消耗的能量（Based on J），另一種則假定被粘件為(wei) 純彈性（Based on G）。他們(men) 分別基於(yu) 這兩(liang) 種J積分推導出了兩(liang) 組不同的CZM模型參數（圖3），並將這兩(liang) 組參數代入到有限元分析中，得到了ENF試驗有限元分析的載荷-位移曲線。將ENF試驗的實驗數據與(yu) 有限元結果做對比，結果表明，基於(yu) 純彈性假設的J積分所推導出的CZM參數能更準確地預測粘接接頭的實際強度。

圖 3 基於(yu) 兩(liang) 種不同形式的J積分所得的CZM參數

圖 4 ENF試驗載荷-位移曲線的實驗數據和有限元結果對比

綜上所述，本文開發了一種用於(yu) 預測短纖維增強熱塑性塑料作為(wei) 被粘件的粘接接頭強度的方法。通過直接法分析ENF試驗的實驗數據得到兩(liang) 種假設下的CZM參數， 然後基於(yu) 所得的兩(liang) 組CZM參數分別進行有限元分析，並將模擬的載荷-位移曲線與(yu) 實驗結果相對比，發現在使用低剛度的增強熱塑性材料(如短纖維增強複合材料)的粘接接頭中，基於(yu) 純彈性假設下的直接法預測得到的粘接接頭強度參數與(yu) 實際情況更相符。本文的工作為(wei) 在粘接係統中獲得CZM參數以建立CZM模型提供了新的思路。

相關(guan) 研究論文以“ Validation of mode II cohesive law obtained using the direct method with short-fiber-reinforced thermoplastic adhesively bonded end-notched flexure joints"為(wei) 題發表在《Engineering Fracture Mechanics》。