CN108256281A - 一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法。首先得到拟合后的不平的搭接面形貌后，给定坐标系，算出粘结层厚度的表达式。然后用ABAQUS进行建模，根据模型坐标系确定被粘物梯度参数和胶层参数。搭接物梯度材料参数和粗糙界面的粘结层的参数赋予模型需要通过ABAQUS中的用户子程序USDFLD来实现。材料参数全部赋予模型后创建分析步，添加相应的约束和边界条件，创建工况计算后就可以提取最粘结体系的强度。

Description

一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法

技术领域

本发明属于粘结搭接领域，尤其涉及一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法。

背景技术

随着胶黏剂的快速发展，粘结结构广泛运用于机械、建筑、航空航天、医学等领域。与传统的钉子连接、铆接、螺栓连接等传统方法相比，胶接技术有着不受搭接物结合形状的限制，应力集中小，胶接结构质量轻等，连接密封性好，成本较低等特点，使之越来越受到青睐。

在具体应用中，胶接结构的破坏往往都发生在粘结界面上，所以对界面强度的研究具有重要意义。而对于粘接结构强度的研究，早期的学者通过各种专业力学试验设备进行研究，需要耗费大量的人力物力，甚至现在有些实验条件还没法达到。所以研究者们开始重视理论模型的建立，但是往往由于构建形状，载荷，边界条件的复杂性，很多时候想找到一个解析解很困难。现在计算机技术和数值计算方法的飞速发展，使得粘结结构的力学性能研究进入崭新空间。

粘结结构的强度受到粘结层参数、被粘物材料参数，以及粘结构件的几何参数所影响。现在对粘结搭接结构的的研究几乎考虑的搭接面都是平滑的，但是在实际中的搭接面很可能是凹凸不平的。搭接强度对胶层厚度很敏感，搭接粗糙不平导致搭接面的胶层厚度是梯度变化的，此时用平滑界面搭接面的强度来预测不平滑的情况就很不准确。很多强度预测模型考虑的搭接物都是均质的或者是复合材料，但是在实际应用中，搭接物材料性质有时是梯度变化的，比如有些航空航天材料的梯度涂层，生物医学领域里面的牙齿骨骼。

因此，一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法亟需建立。

发明内容

本发明提供一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法，弥补对于非平滑搭接界面和梯度搭接物的强度预测的空白。

为达到上诉目的，本发明采用的技术方案为：

一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用直线和曲线近似拟合搭接界面的形貌,给定一个坐标系，计算出拟合过的上下搭接界面形状的函数f₁(x,y)和f₂(x,y)；

(2)按照给定的坐标系，用有限元对近似的搭接模型进行建模；

(3)在ABAQUS软件中通用的材料赋值选项中，只有针对均质材料或者各项异性材料，没有材料梯度参数的赋值选项，所以我们对梯度参数的赋值需要调用ABAQUS的用户子程序USDFLD，目的是把梯度参数以场的形式赋予模型。首先需要编写一个Fortran文件，这文件作用是定义场变量为X/Y/Z坐标，场变量可以是一维二维三维。对于一维场变量就只需定义一个场变量1，如果梯度参数是随X轴变化，那就只需要定义场变量1是X轴坐标，如果梯度参数是随Y轴或者Z轴变化，那就定义场变量1是Y轴坐标或者Z轴坐标；如果二维场变量家具需要定义两个场变量，例如梯度参数在X0Y平面内变化就需要定义场变量1和场变量2分别为X坐标和Y坐标；如果是三维场变量就需要三个场变量分别为X、Y、Z坐标。所以首先根据模型参数的变化来定义相应的场变量，然后通过ABAQUS的用户子程序USDFLD的接口提交编写好的Fortran文件就实现好了场变量的定义，最后根据已经定义好的场变量和模型的坐标系位置算出把每个网格节点的参数赋予模型，就完成了梯度材料参数的设置；

(3.1)梯度材料搭接物的弹性模量或者泊松比大多数情况下都是一位变化或者二维变化，梯度变化规律为E(x,y),υ(x,y)；

(3.2)胶层材料参数的确定。在实际粘结体系工程计算中，内聚力模型能够描述界面的开裂过程，其中双线性内聚力模型受到了很多研究者的青睐。界面分离位移大到一定程度后，界面层就开始损伤，需要选择相应的初始损伤准则和断裂准则。我们采用了最常用的二次名义应力损伤判据和判断界面是否断裂的幂指数准则。在有限元模拟中，需要输入胶层的内聚力参数初始法向和切向的初始刚度、总断裂能。胶层的初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度的表达式分别为：

界面法向和切向初始刚度：

总断裂能

分离强度

其中E和G分别为杨氏模量和剪切模量；Γ₀为本征断裂能；U可以看成为塑性区内单位体积胶黏剂所耗散的塑性能；为裂纹尖端塑性区估计值；σ_f为宏观分离强度。

从上述内容可以看出胶层的初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度对胶层的厚度t都有依赖。而对于粗糙的搭接面，胶层的厚度 t(x,y)＝f₁(x,y)-f₂(x,y)为梯度变化的，从而导致胶的性质呈现梯度变化。把梯度的胶层厚度带入上面初始刚度、总断裂能、分离强度表达式，就可以得到粗糙搭接界面的粘结层的内聚力参数；

(4)模型的材料参数赋值完后，就可以创建分析步；然后根据实际情况，给模型添加边界条件，外载等条件；对模型进行单元的划分，被粘物采用四节点平面应变单元。而粘结层采用单层四节点内聚力单元，最后创建工况就可以开始计算；

(5)强度的提取，工况计算完成后，提取出模型的力位移曲线，力位移曲线的最高点所对应的F_P就是作为衡量粘结体系总体强度的参考值。

本发明的有益效果是：考虑了搭接界面的形貌特征和搭接材料的梯度特性，填补了考虑搭接界面形貌和搭接物梯度特性的强度预测的空白，为搭接界面的优化设计以及搭接物梯度特性的设计提供有效依据。

附图说明

图1为双线性内聚力模型的T-S曲线图。

图2是实例1模型示意图。

图3是实例2模型示意图。

图4是实例3模型示意图。

图5是3个实施例的力位移载荷图。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。下面所描述的只是发明的一部分实施例。对于本领域的普通技术人员来说，不需要付出创作性的劳动，只需要通过改变具体搭接界面的形状以及搭接物梯度特性就能获得相应的粘结体系的强度。

1)图2是一个对实际中不平滑搭接面近似拟合后的单搭接模型。搭接面的上表面是4段等长的线段组成，每条线段的斜率k绝对值为0.4/12.5，搭接面的下表面是平滑的直线，上下搭接物的长L为200mm,厚度h为5mm,搭接长度l为50mm。把直角坐标系原点建在搭接面左下角，则可计算出上下搭接面的形状函数为：

下搭接面的形状函数为：f₂(x)＝0(0≤x≤50)。

2)然后用ABAQUS有限元商业软件，按照图2模型尺寸和坐标系进行二维建模。

3)接下来我们对模型进行材料属性定义。本实例中被粘物的梯度参数和粗糙搭接界面粘结层的参数都只是随X轴一维变化，首先需要编写一个 Fortran文件定义一个场变量1为X坐标。

3.1)如图2所示，本实例中下搭接物中含搭接区域的这一截的杨氏模量沿着X方向梯度变化，梯度变化规律为泊松比为 v₁＝0.29；上搭接物和下搭接物其余部分都是均质材料杨氏模量E₁(x)＝209GPa，泊松比v₁＝0.29。梯度部分材料参数根据梯度层网格的大小和坐标系位置，利用 MATLAB软件算出每个节点的参数，把这些参数赋予模型的相应梯度材料部分就完成赋值。

3.2)胶层材料参数的确定。双线性内聚力的张力和开裂位移的关系曲线如图1所示。图1中(a)为法向内聚应力和法向分离量的关系；(b)为切向内聚应力和切向分离量的关系。图中σ和τ表示拉伸和剪切方向的内聚应力值，而σ_u和τ_u分别是纯Ⅰ型内聚力模型(拉伸)和纯Ⅱ型内聚力模型(剪切)的内聚应力的峰值，称作分离强度。δ_c和δ_m分别代表临界位移和完全失效位移.k是内聚力模型中的初始刚度值，下标"Ⅰ"和"Ⅱ"分别表示拉伸和剪切方向的对应值。胶层的初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度对胶层的厚度t 都有依赖。而对于粗糙的搭接面，胶层的厚度t(x,y)＝f₁(x,y)-f₂(x,y)为梯度变化的，从而导致胶的性质呈现梯度变化。把梯度的胶层厚度带入上面初始刚度、总断裂能、分离强度表达式，就可以得到粗糙搭接界面的粘结层的内聚力参数。

本实例中粘结层采用环氧树脂胶黏剂Hysol EA9361,他的材料属性如表1 所示：

表1

接下来需要确定胶层的内聚力参数初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度。胶层的初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度的表达式分别为：

在本实例中胶层的厚度t(x)＝f₁(x)-f₂(x)，即

把梯度的胶层厚度表达式带入上面初始刚度、总断裂能、分离强度表达式，最后表中胶层的材料参数代入就可以得到本实例的粘结层的随坐标x变化的内聚力参数。得到粘结层内聚力参数后，和上面搭接物梯度参数赋值一样，根据粘结层网格的大小和坐标系位置，利用MATLAB软件算出每个节点的参数，把这些参数赋予模型的相应粘结层部分就完成赋值。

4)模型的材料参数赋值完后，就可以创建分析步；接下来按照图1所给出边界条件，给模型施加相应的边界条件和外载荷；然后对模型进行单元的划分，被粘物采用四节点平面应变单元，而粘结层采用单层四节点内聚力单元，最后创建工况就可以开始计算。

5)强度的提取。工况计算完成后，输出上面参考点处的U1和RT1,就可以合成本粘结体系的力位移曲线，曲线最高点的所对应的力，即最大拉脱离，就可以代表这个粘结体系的强度。

为了反应搭接界面和搭接物梯度特性会对粘结体系的强度产生影响，突出本发明的意义，发明人还做了两个实例。

实施例2，如图3所示把实例1中的被粘物梯度特性去掉，弹性模量都取 209GPa，其他条件不变。

实实例3，如图4所示把实例2中搭接界面的不平滑去掉，改成平滑界面，其他条件不变。

图5是三个实施例的力位移曲线图，从图中可以看出，同时考虑搭接面形貌和被粘物梯度性质的最大拉脱离最大，其次是只考虑不光滑搭接面的最大拉脱力，最小的是光滑搭接面和均质搭接物的最大拉脱力，说明搭接面的形貌和搭接物的梯度特性都能对粘结体系的强度有很大影响，从而就更直接体现本发明的意义。

Claims (2)

1.一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)用直线和曲线近似拟合搭接界面的形貌,给定一个坐标系，计算出拟合过的上下搭接界面形状的函数f₁(x,y)和f₂(x,y)；

步骤2)按照给定的坐标系，用有限元对近似的搭接模型进行建模；

步骤3)在ABAQUS软件中把梯度参数以场的形式赋予模型，根据模型参数的变化来定义相应的场变量，然后通过ABAQUS的用户子程序USDFLD的接口提交编写好的Fortran文件实现场变量的定义，最后根据已经定义好的场变量和模型的坐标系位置算出把每个网格节点的参数赋予模型，完成梯度材料参数的设置；

步骤3.1)梯度材料搭接物的弹性模量或者泊松比大多数情况下都是一维变化或者二维变化，梯度变化规律为E(x,y),υ(x,y)；

步骤3.2)粗糙搭接面胶层材料参数的确定，以双线性内聚力模型描述界面的开裂过程，即张力和开裂位移的关系：

当界面分离位移大到一定程度后，界面层就开始损伤，需要选择相应的初始损伤准则和断裂准则；采用最常用的二次名义应力损伤判据和判断界面是否断裂的幂指数准则，在有限元模拟中，输入胶层的内聚力参数初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度，胶层的初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度的表达式分别为：

界面法向初始刚度k_Ⅰ和切向初始刚度k_Ⅱ：

总断裂能

分离强度

其中E和G分别为杨氏模量和剪切模量；Γ₀为本征断裂能；U为塑性区内单位体积胶黏剂所耗散的塑性能；为裂纹尖端塑性区估计值；σ_f为宏观分离强度；

胶层的初始法向和切向的初始刚度、总断裂能、分离强度对胶层的厚度t都有依赖，而对于非平滑的搭接面，胶层的厚度t(x,y)＝f₁(x,y)-f₂(x,y)为梯度变化的，从而导致胶的性质呈现梯度变化；把梯度的胶层厚度带入上面初始刚度、总断裂能、分离强度表达式，就可以得到粗糙搭接界面的胶层的材料参数；

步骤4)模型的材料参数赋值完后创建分析步；然后根据实际情况，给模型添加边界条件、外载条件对模型进行单元的划分，被粘物采用四节点平面应变单元，而粘结层采用单层四节点内聚力单元，最后创建工况开始计算；

步骤5)强度的提取，工况计算完成后，提取出模型的力位移曲线，力位移曲线的最高点所对应的F_P作为衡量粘结体系总体强度的参考值。

2.根据权利要求1所述的一种考虑搭接界面形貌及搭接物梯度性质的强度预测方法，其特征在于，步骤3)中场变量的定义为：

首先编写一个Fortran文件，定义场变量为X/Y/Z坐标，场变量是一维二维或三维；对于一维场变量就只需定义一个场变量1，如果梯度参数是随X轴变化，那就只需要定义场变量1是X轴坐标，如果梯度参数是随Y轴或者Z轴变化，那就定义场变量1是Y轴坐标或者Z轴坐标；如果是二维场变量需要定义两个场变量，定义场变量1和场变量2分别为X坐标和Y坐标；如果是三维场变量就需要三个场变量分别为X、Y、Z坐标。