單軸和雙軸循環加載下黏彈性軟粘接劑的棘輪應變和循環軟化研究

     隨著工業(ye) 製造業(ye) 對結構輕量化需求的日益增加，軟粘接劑在汽車、航空航天和電子設備等領域的應用日益廣泛。軟粘接劑在循環加載工況下的疲勞失效將顯著影響粘接結構的安全使用。考慮到軟粘接劑往往表現出顯著的黏彈性，研究黏彈性軟粘接劑在複雜路徑多軸循環加載下的變形對粘接結構的抗疲勞設計和安全評估具有重要意義(yi) 。近日，鄭州大學張軍(jun) 教授團隊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力控製循環加載工況下的變形行為(wei) 的實驗研究（圖1），並建立了可描述上述複雜變形的循環本構模型。

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

      本研究首先製備了啞鈴狀改性聚氨酯軟粘接劑試樣，並開展了單軸拉伸循環實驗。如圖2所示，具有黏彈性特性的軟粘接劑在循環加載下發生了持續的循環蠕變及棘輪應變累積。隨著循環次數的增加，軟粘接劑發生了循環軟化並伴隨著耗散能的逐漸減少。為(wei) 描述該演化規律，本研究提出了一個(ge) 非線性黏彈性本構模型，該模型考慮了材料黏彈特性，基於(yu) 唯象的Kelvin模型和Maxwell模型，構建了包含應變累積函數和斜率函數的數學表達式以預測材料在循環加載下的棘輪應變累積及循環軟化行為(wei) 。

圖2 單軸加載循環試驗的結果

圖3 不同加載路徑下軟粘接劑的應變響應曲線

      考慮到實際服役中軟粘接劑可能還需要承受雙軸循環加載，因此，本研究進一步開展了考慮複雜加載路徑的雙軸拉伸循環加載試驗。相較於(yu) 單軸循環加載，非比例加載路徑會(hui) 導致更顯著的棘輪應變累積，且棘輪應變的演化規律與(yu) 加載路徑強相關(guan) （圖3）。在非比例循環加載工況下，不同方向上的拉伸變形導致分子鏈間相互作用改變，使分子鏈的黏性恢複相較於(yu) 比例加載更困難最終表現為(wei) 不同的棘輪應變累積規律。此外，不同加載路徑下軟粘接劑表現出不同的耗散能演化規律，非比例加載路徑對應的初始耗散能和總耗散能均高於(yu) 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(shang) 更大。為(wei) 描述複雜加載路徑下的材料變形，本研究通過引入加載路徑係數發展了一個(ge) 雙軸多路徑循環本構模型。該模型通過調整加載路徑係數描述不同加載路徑對材料棘輪應變的額外影響，從(cong) 而準確預測雙軸循環加載工況下的力學響應（圖5）。

圖4 不同加載路徑下棘輪應變和耗散能隨循環圈數的演化

圖5 雙軸多路徑循環加載條件下模型計算與(yu) 試驗結果對比

      綜上所述，本研究重點關(guan) 注了軟粘接劑循環變形過程中不同加載路徑工況下棘輪應變、循環軟化與(yu) 材料損傷(shang) 的關(guan) 係，該研究結果有助於(yu) 軟粘接結構的抗疲勞設計和開發。值得一提的是：本研究將加載路徑係數視為(wei) 一個(ge) 僅(jin) 與(yu) 加載路徑相關(guan) 的參數，而實際上，此參數可能與(yu) 循環圈數相關(guan) 。通過考慮循環圈數對加載路徑係數的依賴性，並對其進行相應的修正，可進一步提高理論預測的精確性。

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