CN111177880A - 一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法 - Google Patents

一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法 Download PDF

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CN111177880A CN201911111066.7A CN201911111066A CN111177880A CN 111177880 A CN111177880 A CN 111177880A CN 201911111066 A CN201911111066 A CN 201911111066A CN 111177880 A CN111177880 A CN 111177880A
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慕文龙
谭伟
王广彬
陈宏利
栾建泽
申浩
高原
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Abstract

本发明公开了一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，本发明开发了一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，通过对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化处理，通过拉伸破坏试验得到不同老化周期的粘接结构的失效应力相关数据，通过有限元建模分析结合等效应力关系式建立失效准则，对不同老化周期的胶粘剂进行的化学特性分析得到化学特性变化规律，计算筛选出与粘接结构失效准则处于最佳重合状态的化学特性及其组合形式，应用典型相关分析方法，最终获得通过分析胶粘剂化学特性就能得到粘接结构失效准则的预测方法。

Description

一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测 方法
技术领域
本发明涉及结构寿命预测领域，具体涉及一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法。
背景技术
人工加速老化试验是将试件放置在高低温湿试验箱中根据相关老化试验标准模拟现实工况环境下进行周期性循环。基于人工老化试验，对老化前后的胶粘剂进行化学特性测试，分析高分子材料的湿热老化机理，建立化学性能变化与机械性能变化的对应关系，即为基团、分子量、玻璃化转变温度Tg等与失效强度、刚度等的对应关系，对于粘接结构湿热老化的预测具有重要意义。
目前国内外学者采用相关的化学特性分析方法，主要针对老化前后的粘接结构进行了定性分析。但通过测定分析化学性能变化，建立胶粘剂化学性能变化与粘接结构机械性能变化对应关系的相关研究较少。本团队做了关于胶粘剂物理化学性能以及胶粘结构的机械性能方面的大量实验与研究，总结分析了胶粘剂化学特性与粘接结构失效强度的相关性评价方法，但是没有涉及多条化学特性的综合考虑，以及没有涉及探讨基于胶粘剂化学特性来定量分析胶粘结构失效准则的分析方法，没能有效地解决基于胶粘剂相关特性描述与粘接结构的真实失效不能很好吻合的问题。
发明内容
本发明设计开发了一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，本发明的发明目的是通过对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化处理，通过拉伸破坏试验得到不同老化周期的粘接结构的失效应力相关数据，通过分析结合等效应力关系式建立失效准则，最终获得通过分析胶粘剂化学特性就能得到粘接结构失效准则的预测方法。
本发明提供的技术方案为：
一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，包括如下步骤：
步骤一、对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化试验，并且在不同老化周期间隔时间内取出所述不同粘接角度的粘接试件进行准静态拉伸破坏试验，记录拉伸失效载荷及失效界面区域；
步骤二、根据所述拉伸失效载荷及失效界面区域确定不同老化周期的不同粘接角度的粘接结构失效准则和胶粘剂的多条化学特性样本数据；
步骤三、将所述化学特性样本数据与所述失效准则进行相关性分析，选取与所述失效准则相关联的作为关键化学特性，将关键化学特性随老化周期变化的数据进行相关变换建立以旋转因子、平移因子的分析泛函，获得所述粘接结构失效准则处于最佳重合状态的化学特性；
步骤四、对所述最佳重合状态的化学特性进行加权组合获得权重系数的最优解；
步骤五、建立基于胶粘剂化学特性分析的在复杂应力状态下的粘接结构不同老化周期的失效准则预测函数，对粘接结构进行失效预测；
其中，所述失效准则预测函数为
Figure BDA0002272724340000021
式中，ai为最佳重合状态时的旋转因子，bi为最佳重合状态时的平移因子，λi为最佳重合状态的加权组合形式对应的权重系数最优解，
Figure BDA0002272724340000022
为粘接结构失效准则，
Figure BDA0002272724340000023
为关键化学特性随老化周期变化的数据，m为筛选后的关键化学特性数量。
优选的是，在所述步骤二中，将所述失效载荷作用在所述失效界面区域，获得结构失效点和失效应力，计算获取不同老化周期的粘接接头在复杂应力状态下的等效应力，根据等效应力公式建立所述粘接结构失效准则：
Figure BDA0002272724340000024
其中，
Figure BDA0002272724340000031
σm为应力球张量，
Figure BDA0002272724340000032
为与时间t相关的失效准则数据样本点，t取值为0,1,2,…,k，共k+1个。
优选的是，在所述步骤三中，建立以旋转因子ai、平移因子bi的分析泛函后，根据极值条件确定最优解ai、bi的过程包括如下步骤：
步骤1、对所述关键化学特性随老化周期变化的数据
Figure BDA0002272724340000033
进行旋转和平移的基本变换，获得以比例因子ai和平移因子bi为参数的函数族：
Figure BDA0002272724340000034
式中，
Figure BDA0002272724340000035
为变换后的以(ai,bi)为参数的离散函数族，ai为旋转因子，bi为平移因子，t为时间；
步骤2、以粘接结构失效准则
Figure BDA0002272724340000036
作为基准数据，分别建立各单条化学特性对应的化学特性数据
Figure BDA0002272724340000037
与粘接结构失效准则
Figure BDA0002272724340000038
相关泛函Π(ai,bi)：
Figure BDA0002272724340000039
式中，Π(ai,bi)为以(ai,bi)为参数的泛函数，
Figure BDA00022727243400000310
为的失效准则试验数据，
Figure BDA00022727243400000311
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤3、根据如下极值条件计算得出ai、bi：
Figure BDA00022727243400000312
优选的是，在所述步骤四中，建立关于权重系数λi的分析泛函以及根据极值条件求得最优解λi，包括如下步骤：
步骤1、将所述粘接结构失效准则最佳重合状态下的各条化学特性变化规律
Figure BDA00022727243400000313
进行加权组合，计算
Figure BDA00022727243400000314
经加权组合后与
Figure BDA00022727243400000315
在同一横坐标下残差平方
Figure BDA00022727243400000316
其中，
Figure BDA00022727243400000317
步骤2、将所有的线性组合计算的残差平方和以及失效准则与不同老化周期失效准则试验数据平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得参数λi的泛函Φ(λi)；
其中，
Figure BDA0002272724340000041
式中，Φ(λi)为以λi为参数的泛函数，
Figure BDA0002272724340000042
为失效准则试验试验数据，
Figure BDA0002272724340000043
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤3、根据如下极值条件计算得出λi：
Figure BDA0002272724340000044
优选的是，在所述步骤二中，将所述失效载荷作用在所述失效界面区域，获得结构失效点和失效应力，计算获取不同老化周期的粘接接头在复杂应力状态下的等效应力，根据等效应力公式建立所述粘接结构失效准则，包括如下步骤：
步骤1、将所述失效载荷作用在所述失效界面区域，获得结构失效点和失效应力；
其中，所述失效应力包括：三个正应力分量σx、σy、σz和三个剪应力分量τxy、τyz、τxz；
步骤2、计算得到偏应力的第二应力不变量J2和第三应力不变量J3：
Figure BDA0002272724340000045
Figure BDA0002272724340000046
式中，
Figure BDA0002272724340000047
σm为应力球张量；
步骤3、基于等效应力公式建立得出粘接结构失效准则的数学表达式：
Figure BDA0002272724340000048
式中，k为等效系数；
步骤4、将所述数学表达式代入不同老化周期的试验数据得到粘接结构失效准则试验数据
Figure BDA0002272724340000049
t取0,1,…,k。
优选的是，k＝9/2。
优选的是，在步骤三中、所述化学特性样本数据与所述失效准则的相关度：
Figure BDA0002272724340000051
优选的是，在所述步骤一中，对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化试验包括如下步骤：
步骤1、选择粘接结构基材类型；
步骤2、在0°～90°角度范围内制作按Δα梯度增加的多组粘接试棒，每组制作N0对粘接试棒；
步骤3、对多组粘接试棒粘接面进行打磨、清洁等前处理；
步骤4、设计粘接工装夹具，并将多组相对应角度的粘接试棒装配在工装夹具上，利用胶枪将选用的胶粘剂均匀涂抹在粘接面上，在粘接时，保证每对粘接试棒的对中性，最后完成试件粘接；
步骤5、将粘接好的粘接试件放在标准的固化环境下固化；
步骤6、将上述固化完全的多组不同粘接角度对应的粘接试件放入高低温湿环境箱中，参考车辆粘接结构加速老化实验标准DIN6701设置粘接试件的老化环境，对粘接试件进行总老化时间为M的人工加速老化试验，每隔老化周期T将每组不同粘接角度的试件取出N1个。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、本专利开发了一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，对粘接结构的失效准则和胶粘剂化学特性变化规律进行相关性分析，最终获得通过胶粘剂化学特性分析就能得到粘接结构失效准的预测方法，具有非常重要的工程实际意义；
2、本专利在处理化学特性离散数据时，引入了多条化学特性的加权组合，甄别筛选出与粘接结构失效准则最佳重合状态的化学特性组合形式，使得预测结果更具有准确性和科学性；
3、本专利建立了胶粘剂化学特性与粘接结构失效准则的相关性分析方法，应用典型相关分析方法综合考虑了俩组数据的变化规律，能够更具代表性地定量地对复杂应力状态下不同老化周期的粘接结构的失效准则进行预测。
附图说明
图1为本发明所述的粘接结构的粘接角度为0°的结构示意图。
图2为本发明所述的粘接结构的粘接角度为αi的结构示意图。
图3为本发明所述的粘接结构的粘接角度为90°的结构示意图。
图4为本发明所述的粘接角度为0°的固化完全的粘接试件的结构示意图。
图5为本发明所述的粘接角度为αi的固化完全的粘接试件的结构示意图。
图6为本发明所述的粘接角度为90°的固化完全的粘接试件的结构示意图。
图7为本发明所述人工老化试验的湿热循环示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，通过对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化处理，通过拉伸破坏试验得到不同老化周期的粘接结构的失效应力相关数据，通过有限元建模分析结合等效应力关系式建立失效准则，对不同老化周期的胶粘剂进行的化学特性分析得到化学特性变化规律，计算筛选出与粘接结构失效准则处于最佳重合状态的化学特性及其组合形式，应用典型相关分析方法，最终获得通过分析胶粘剂化学特性就能得到粘接结构失效准的预测方法，能够有效地解决失效准则描述与粘接结构真实失效不能很好吻合的问题，具体包括如下步骤：
步骤一、制作不同粘接角度的粘接试件，进行人工加速老化试验，每隔老化周期T0对不同粘接角度粘接试件进行准静态拉伸破坏试验；
如图1～3所示，其中，制作不同粘接角度的粘接试件及进行人工加速老化过程具体步骤如下：
步骤1、根据实际应用的车身材料研究选择粘接结构基材类型；
步骤2、在0°～90°角度范围内制作按Δα梯度增加的粘接角度为αi的多组粘接试棒(即制作不同应力状态的粘接试棒)，每组制作N0对粘接试棒；其中，如图1所示，αi为0°时的粘接试棒，如图3所示，αi为90°时的粘接试棒，
步骤3、对多组组粘接试棒粘接面进行打磨、清洁等前处理，保证所有粘接试棒的粘接面干净；
步骤4、设计粘接工装夹具，并将多组相对应角度的粘接试棒装配在工装夹具上，利用胶枪将选用的胶粘剂均匀涂抹在粘接面上，在粘接时，保证每对粘接试棒的对中性，最后完成试件粘接；
步骤5、将粘接好的粘接试件放在胶粘剂说明书要求的标准的固化环境下固化；
步骤6、将上述固化完全的多组不同粘接角度对应的粘接试件放入高低温湿环境箱中，参考车辆粘接结构加速老化实验标准DIN6701设置粘接试件的老化环境，对粘接试件进行总老化时间为T的人工加速老化试验，每隔老化周期T0将每组不同粘接角度的试件取出N1个(则包括未老化的情况，老化阶段共k+1个,k＝T/T0)；
步骤二、将上述每隔老化周期T0的不同粘接角度的试件各取出N1个粘接试件依次安装在电子万能试验机上，使粘接接头的两端通过万向节与试验机相连，保证测试过程中的试验力沿着试件轴线中心通过，消除非轴向力的作用；试验机以准静态速度拉伸试件直至破坏，对粘接接头拉伸试验数据进行统计处理得到在各组不同老化周期之后的失效载荷，观察并记录各组试件拉伸失效载荷及失效界面区域；
步骤三、获取不同老化周期的粘接接头在复杂应力状态下的等效应力，根据等效应力公式建立粘接结构失效准则，具体步骤如下：
步骤1、建立与试验尺寸相同的不同粘接角度的老化后的粘接接头的有限元模型，将上述失效载荷作用在有限元模型中与上述失效界面的区域，获得结构失效点和失效应力；其中，所述初始失效应力包括三个正应力分量σx、σy、σz和三个剪应力分量τxy、τyz、τxz；
步骤2、计算得到偏应力的第二应力不变量J2和第三应力不变量J3：
Figure BDA0002272724340000081
Figure BDA0002272724340000082
其中
Figure BDA0002272724340000083
σm为应力球张量；
步骤3、基于等效应力公式建立得出粘接结构失效准则的数学表达式，其表达式为：
Figure BDA0002272724340000084
式中，σeq为等效应力，k为等效系数，代入不同老化周期的试验数据得到粘接结构失效准则试验数据
Figure BDA0002272724340000085
t取0,1,2,…,k，共k+1个；
步骤四、将上述每隔老化周期T0取出的不同粘接角度的粘接试件试件取出适量胶粘剂进行化学特性分析，共获得M×(k+1)个化学特性样本数据
Figure BDA0002272724340000086
(其中M为胶粘剂的化学特性数量，
Figure BDA0002272724340000087
为与时间t相关的化学特性数据，t取值为0,1,2,…,k，j取值为1,2,…,M)；其中，获取化学特性数据具体过程如下：
步骤1、对上述每隔老化周期T0取出的不同粘接角度试件取适量胶粘剂进行化学特性分析，，对比老化前后的胶粘剂的化学特性，分析高分子材料的湿热老化机理，甄别变化显著且呈单一规律性变化的化学特性，从中选取M条化学特性；
步骤2、对上述选取的M条化学特性进行定量分析，采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析等分析方法，对老化后的胶粘接化学性能进行表征，作随时间变化的线性回归分析，获得胶粘剂化学特性数据
Figure BDA0002272724340000088
(
Figure BDA0002272724340000089
为与时间t相关的失效准则数据，j指代第j个化学特性，j取值为1,2,…,M)；
步骤五、在上述M条化学特性中筛选出与失效准则相关联的关键化学特性，根据胶粘剂M条化学特性样本数据
Figure BDA00022727243400000810
与失效准则样本数据
Figure BDA00022727243400000811
俩组数据的Pearson相关性分析方法，根据相关关联规则筛选出与失效准则相关联的关键化学特性，获得关键化学特性数据
Figure BDA00022727243400000812
(i＝1,2,…,m，其中，m≤M，m为筛选后的关键化学特性数量，i指代第i个化学特性)；
步骤六、对各单组关键化学特性数据Hit进行相关基本变换，建立以旋转因子ai、平移因子bi的分析泛函并根据极值条件求得最优解ai、bi，获得与粘接结构失效准则数据
Figure BDA0002272724340000091
处于最佳重合状态的化学特性
Figure BDA0002272724340000092
i＝1,2,…,m；
其中，具体求解过程如下：
步骤1、对各组关键化学特性数据
Figure BDA0002272724340000093
进行旋转和平移的基本变换，获得以比ai和bi为参数的函数族：
Figure BDA0002272724340000094
式中，
Figure BDA0002272724340000095
为变换后的以(ai,bi)为参数的函数族，ai为旋转因子，bi为平移因子，t为老化时间；
步骤2、以粘接结构失效准则试验数据
Figure BDA0002272724340000096
作为基准数据，计算经基本变换后的化学特性
Figure BDA0002272724340000097
与粘接结构失效准则
Figure BDA0002272724340000098
的残差平方和以及失效准则与不同老化周期失效准则平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得到泛函：
Figure BDA0002272724340000099
式中，Π(ai,bi)为以(ai,bi)为参数的泛函数，
Figure BDA00022727243400000910
为的失效准则试验数据，
Figure BDA00022727243400000911
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤3、计算泛函数的极小值min[Π(ai,bi)]，俩组数最佳重合状态对应的(ai,bi)可由泛函Π的极值条件计算得出：
Figure BDA00022727243400000912
求出各组化学特性数据与粘接结构失效准则的最佳重合状态对应的ai、bi，则最佳重合状态的化学特性
Figure BDA00022727243400000913
可表示为：
Figure BDA00022727243400000914
其中，ai为最佳重合状态时的旋转因子，bi为最佳重合状态时的平移因子；
步骤4、计算两组数据最佳重合状态时化学特性数据
Figure BDA00022727243400000915
与失效准则
Figure BDA00022727243400000916
的相关度R：
Figure BDA0002272724340000101
步骤七、考虑到粘接结构失效准则的变化是胶粘剂各关键化学特性共同作用的结果，将与粘接结构失效准则数据
Figure BDA0002272724340000102
最佳重合状态的各组化学特性数据
Figure BDA0002272724340000103
进行加权组合，建立关于权重系数λi的分析泛函并根据极值条件求得最优解λi，获得与失效准则数据
Figure BDA0002272724340000104
最佳重合状态的化学特性数据加权组合，获得组合后的数据表达式为：
Figure BDA0002272724340000105
其中，具体求解过程如下：
步骤1、基于统计学原理的初步筛选，将粘接结构失效准则最佳重合状态下的各单条化学特性变化数据
Figure BDA0002272724340000106
(此时
Figure BDA0002272724340000107
已知)进行加权组合，计算
Figure BDA0002272724340000108
经加权组合后与
Figure BDA0002272724340000109
在同一横坐标下残差平方，其中还应考虑权重系数λi的影响，表示为
Figure BDA00022727243400001010
并将所有的加权组合计算的残差平方和以及失效准则
Figure BDA00022727243400001011
与不同老化周期失效准则平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得参数λi的泛函Φ(λi)，(λi对应第i条的化学特性)，定义函数为：
Figure BDA00022727243400001012
式中，Φ(λi)为以λi为参数的泛函数，
Figure BDA00022727243400001013
为失效准则试验数据，
Figure BDA00022727243400001014
为失效准则试验数据的平均值；
步骤2、计算泛函数的极小值min[Φ(λi)]，俩组数最佳重合状态对应的λi可由泛函Φ的极值条件：
Figure BDA00022727243400001015
计算得出多条化学特性加权组合数据与粘接结构失效准则
Figure BDA00022727243400001016
的最佳重合状态对应的λi；
步骤八、应用典型相关分析方法，获得基于胶粘剂化学特性分析的复杂应力状态下的粘接结构不同老化周期的失效准则预测函数Fσ(t)：
Figure BDA0002272724340000111
实施例
本发明涉及的是一种基于胶粘剂化学特性分析的老化后的粘接结构失效准则的预测方法，通过测试分析不同老化周期的胶粘剂化学特性变化，建立粘接剂化学特性与老化后的胶粘件失效准则之间的定量关系，预测胶粘结构失效准则的变化，具体包括：
步骤100、制备试验所需粘接试件，粘接接头的加工制造在无尘、稳定的环境(温度保持在25℃±3℃，相对湿度保持在(50±5)％)中进行；
具体制作处理流程如下：
步骤101、根据实际应用的车身材料，选取铝合金板(6005A材质)作为粘接试棒基材，以及选用Sikaflex-265聚氨酯类胶粘剂作为本试验的胶粘剂；
步骤102、在0°～90°角度范围内制作按15°梯度增加的粘接角度αi为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七组粘接试棒(即制作不同应力状态的粘接试棒)，每组制作20对粘接试棒；
步骤103、用80#砂纸沿着对角方向交叉打磨上述所有铝合金试棒的粘接面，形成交叉打磨纹理；
步骤104、用擦拭纸蘸取适量酒精并沿着一个方向擦拭粘接表面，清洁粘接面直至纸巾表面干净后晾置10分钟；
步骤105、使用脱脂棉蘸取清洁剂Sika Remover-208和活化剂Sika Aktivator擦拭粘接表面，取出表面的油脂灰尘和活化表面，并晾置15分钟；
步骤106、使用脱脂棉蘸取Sika Primer-206 G+P底涂剂，在粘接表面刷一层薄且均匀的底涂，并晾置30分钟；
步骤107、利用专用胶枪将胶粘剂Sikaflex-265均匀地涂抹在铝合金试棒的粘接面上，保证的涂胶量满足粘接厚度要求；
步骤108、将铝合金试棒装配在本实验团队设计制作好的工装夹具上，装配时保证每对粘接试棒的对中性，调节夹具右边的旋钮和数显游标卡尺使俩个粘接试棒粘接面慢慢靠近直至贴合，实现最终的对接装配，采用铝合金方片去除余胶，减少胶瘤的影响；
步骤109、将装好的粘接试件放放置在制作条件下直至胶层初步固化后(约24小时)，再将从夹具上拆卸下胶粘试件，按照上述所选胶粘剂的固话说明，将试件水平放置在平台上进行为期4周的固化，保证固化条件(温度23±3℃，湿度50±5％)，如图4～6所示为固化完全的粘接试件；
步骤200、将上述固化好的试件进行人工老化处理，根据德国铁路车辆和车辆零部件胶粘剂的标准DIN 6701粘接标准，用高低温湿试验箱(WSHW—080BF，嘉兴维斯实验设备有限公司，温度范围：-40℃～+150℃，湿度范围：20％RH～99％RH)模拟车辆服役过程中的典型环境变化，温度/相对湿度设定为80℃/95％RH和-40℃/30％RH，循环试验模拟车辆在极端气候环境运行；
其中，如图7所示，环境变化为一周期湿热循环，变化如下：保持温度/相对湿度80℃、95％RH条件下4h，然后2h内降低温度到-40℃，同时相对湿度降低至30％RH。在-40℃、30％相对湿度下维持4h后，再2h内升至800℃、95％RH，如图2所示为一个循环周期的湿热循环图，试验持续60周期，单次试验总长为30天，每20周期进行样本测试，即分别进行0周期(未经湿热循环)、20周期、40周期和60周期取出粘接接头进行拉伸测试，共取样4次，各取5个粘接试件；
步骤300、分别在四个老化周期下，将不同粘接角度的粘接试件从恒温恒湿试验箱取出后，晾置至常温，然后将其安装在电子万能试验机(WDW—3100，KeXin InstruementCo.Ltd.，长春，中国)上，粘接接头的两端通过万向节与拉伸试验机相连，以保证测试过程中的试验力沿着试件轴线中心通过，消除非轴向力的作用；拉伸试验机以1mm/min的恒定速度拉伸试件直至破坏，对粘接接头拉伸试验数据进行统计处理得到在不同老化周期之后的失效载荷，并记录相对应的界面失效区域；
其中，实验方案的各项明细如表1所示：
表1湿热循环试验方案明细表
Figure BDA0002272724340000121
Figure BDA0002272724340000131
步骤400、在ABAQUS 6.13(有限元)软件中建立与试验相同尺寸的相同老化状态的上述七组不同粘接角度的粘接接头的有限元模型，以90°对接接头处于第60老化周期的的三维仿真模型为例，胶层和胶粘基材都采用实体单元C3D8R(“C”表示为实体单元，“3D”表示为“三维”，“8”是这个单元所具有的节点数目，“R”指这个单元是“缩减积分单元”)，考虑到主要的变形来自胶层且重点关注胶层的应力分布，所以需要将胶层的网格划分的足够细，为此，胶层网格最大为0.33mm×0.33mm×0.33mm。为节省计算资源，试验中胶粘基材铝合金的截面尺寸为25mm×25mm，在建模中将其截面尺寸设为25mm×12.5mm，达到适当减少基材网格的数量又不会改变胶层中应力分布的效果，为了保证试验测试与仿真分析的一致性在粘接接头的对称面上施加了对称约束；在模型左侧采用固支约束，将由准静态拉伸试验获得的初始断裂载荷作为仿真模型载荷边界条件，施加在仿真分析模型的右侧，为方便施加集中载荷采用了Coupling接触，通过建立参考点RP与右侧几何面形成相同的刚体运动；胶层失效区域确定后为了将胶层失效区域失效点的应力状态提取出来采用Python语言编写程序将胶层单元的应力状态读取出后存储在Excel中方便后续处理操作；对接接头胶层失效区域位置及对应的应力数据如表2所示；
表2对接接头胶层失效应力
Figure BDA0002272724340000141
步骤401、进一步进行等效应力构建；胶粘剂强度是粘接接头强度的基础，对于特定胶粘剂和基材的粘接接头，其强度大小应该不受接头拉剪比的影响，即其强度不受失效点应力状态的影响，所以不同拉剪比的粘接接头的强度在理论上是一个恒定值，基于上述理论，计算出不同失效点的六个应力分量，三个正应力分量σx、σy、σz及三个剪应力分量τxy、τyz、τxz，由弹塑性力学中有关公式计算得到应力球张量σm，偏应力的第二应力不变量J2和第三应力不变量J3：
Figure BDA0002272724340000151
Figure BDA0002272724340000152
Figure BDA0002272724340000153
步骤402、利用线性组合法计算得到将
Figure BDA0002272724340000154
作为等效应力计算公式时能准确的预测胶层单元失效位置，除此之外等效应力还需要满足在单向应力状态下，即σx≠0,σy＝σz＝τxy＝τyz＝τxz＝0，保证满足σeq＝σx；
Figure BDA0002272724340000155
需要满足下面关系：
Figure BDA0002272724340000156
求得
Figure BDA0002272724340000157
进一步粘接结构失效准则的数学表达式为：
Figure BDA0002272724340000158
代入数值获得不同老化周期的粘接结构的失效准则
Figure BDA0002272724340000159
计算结果如表3所示：
表3粘接结构不同老化周期的失效准则
Figure BDA0002272724340000161
步骤500、同时测试的参与拉伸试验的粘接试件胶粘剂的化学特性，采用傅立叶变换红外线光谱(FTIR)分析胶粘剂化学特性变化，使用VERTEX80V傅里叶变换红外光谱仪，获得铝合金接头失效断面的IRATR光谱，为避免将红外辐射渗透到样品中，采用全衰减多重反射法(IRATR)，硒化锌晶体使用45°入射角，在分析之前，用干氮气清洗光谱仪平台，利用平均分辨率为4cm-1，光谱范围为4000-400cm-1进行200次扫描；
步骤501、使用FTIR对各个老化周期的胶粘剂结构进行表征，获得0老化周期、20老化周期、40老化周期和60老化周期的FTIR光谱图，对比老化前后的胶粘剂的化学特性，对变化显著且呈单一规律性变化的化学特性与粘接结构失效载荷变化规律进行对比分析，从中选出M条化学特性作为试验依据，以此来分析建立粘接剂化学特性与胶粘结构失效准则之间的定量关系，暂定的胶粘剂Sikaflex-265波谱中主要官能团位置，如表4所示；
表4胶粘剂波谱中主要官能团位置
Figure BDA0002272724340000162
采用峰高法拟合上诉基团吸收峰强度与老化时间的变化关系，获得化学特性数据
Figure BDA0002272724340000171
(
Figure BDA0002272724340000172
为与时间t相关的失效准则数据，j指代第j个化学特性，j取值为1,2,…,M，t取值为0,1,2,…,k)；
步骤502、根据胶粘剂M条化学特性样本数据
Figure BDA0002272724340000173
与失效准则样本数据
Figure BDA0002272724340000174
俩组数据的Pearson相关性分析方法，制定相关关联规则筛选出相关性较高的化学特性作为关键化学特性，获得关键化学特性数据
Figure BDA0002272724340000175
(i指代第i个化学特性，i＝1,2,…,m，其中，m≤M，m为筛选后的关键化学特性数量，t指代老化周期，t取值为0,1,2,…,k)；
通过计算，这里选取老化过程中参与反应的波普位置3328cm-1、1736cm-1与2923cm-1基团作为关键化学特性(在光谱中变化相对明显的吸收峰)；对这三个关键化学特性的变化进行定量分析，实验数据每隔20周期测量(与拉伸测试试验同步)，取四次，k＝3，如表5所示为试验测得的化学特性离散数据点；
表5化学特性离散数据
Figure BDA0002272724340000176
选取波谱图中变化相对明显的吸收峰，即参与反应的波谱位置1736cm-1基团、2923cm-1基团和3328cm-1基团作为关键化学特性，特定环境1736cm-1基团吸收峰强度离散数据为
Figure BDA0002272724340000177
2923cm-1基团吸收峰强度离散数据为
Figure BDA0002272724340000178
3328cm-1基团吸收峰强度离散数据为
Figure BDA0002272724340000179
采用峰高法拟合各基团吸收峰强度与老化时间的变化关系，获得基团谱峰峰值变化离散数据
Figure BDA00022727243400001710
i＝1,2,3；
步骤600、以粘接结构接头的失效准则试验数据
Figure BDA00022727243400001711
作为基准数据，将上述基团谱峰峰值变化数据
Figure BDA00022727243400001712
i＝1,2,3进行旋转和平移变换，获得以(ai,bi)为参数的函数族：
Figure BDA00022727243400001713
其中，
Figure BDA00022727243400001714
为变换后的以(ai,bi)为参数的函数族，ai为旋转因子，bi为平移因子，t为时间；
步骤601、计算经基本变换后的各单条化学特性变化规律
Figure BDA0002272724340000181
与粘接结构失效准则
Figure BDA0002272724340000182
的残差平方和以及失效准则
Figure BDA0002272724340000183
与不同老化周期失效准则试验数据平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得到泛函：
Figure BDA0002272724340000184
其中，Π(ai,bi)为以(ai,bi)为参数的泛函数，
Figure BDA0002272724340000185
为的失效准则数据，
Figure BDA0002272724340000186
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤602、根据泛函数的极小值min[Π(ai,bi)]求得最优解，即分别求出各组化学特性数据与失效准则试验数据的最佳重合状态下对应的(ai,bi)，俩组数最佳重合状态对应的(ai,bi)可由泛函Π的极值条件计算得出：
Figure BDA0002272724340000187
求出各单条化学特性相关的试验数据与粘接结构失效准则的最佳重合状态对应的(ai,bi)，则化学特性变化数据最佳重合状态
Figure BDA0002272724340000188
可表示为：
Figure BDA0002272724340000189
其中，ai为最佳重合状态时的旋转因子，bi为最佳重合状态时的平移因子；
步骤603、分别计算上诉各组最佳重合状态化学特性数据与对应的失效准则数据的相关度：
Figure BDA00022727243400001810
步骤604、基于统计学原理的初步筛选，将粘接结构失效准则最佳重合状态下的各单组化学特性变化数据
Figure BDA00022727243400001811
(此时
Figure BDA00022727243400001812
已知)进行加权组合，计算
Figure BDA00022727243400001813
经加权组合后与
Figure BDA00022727243400001814
在同一横坐标下残差平方，其中还应考虑权重系数λi的影响，表示为
Figure BDA00022727243400001815
并将所有的加权组合计算的残差平方和以及失效准则试验数据
Figure BDA0002272724340000191
与不同老化周期失效准则平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得参数λi的泛函Φ(λi)，(λi对应第i条的化学特性)，定义函数为：
Figure BDA0002272724340000192
其中，Φ(λi)为以λi为参数的泛函数，σeq为失效准则试验数据，
Figure BDA0002272724340000193
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤605、根据泛函数的极小值min[Φ(λi)]求得最优解，俩组数最佳重合状态对应的λi可由泛函Φ的极值条件：
Figure BDA0002272724340000194
计算得出多条化学特性的加权组合数据与粘接结构失效准则
Figure BDA0002272724340000195
的最佳重合状态对应的λi；
步骤700、应用典型相关分析方法，建立基于化学特性测试分析的复杂环境下的胶粘结构不同老化周期的失效准则预测函数：
Figure BDA0002272724340000196
其中，Fσ(t)为人工加速老化某时刻的胶粘结构接头的失效准则。
在本实施例中，首先对选取的三组关键化学特性变化数据
Figure BDA0002272724340000197
进行比平移变换，获得三组以ai,bi为参数的函数族：
Figure BDA0002272724340000198
其中，ai为旋转因子，bi为平移因子；
粘接结构失效准则数据与化学特性试验数据离散点每隔20老化周期数进行选取，计算二者在同一横坐标下残差平方，表示为
Figure BDA0002272724340000199
并将残差平方和表示为上述俩个参数的泛函，离散数据的最佳重合状态表示为函数的极值条件，定义函数为：
Figure BDA0002272724340000201
化学特性数据
Figure BDA0002272724340000202
经基本变换后与失效准则试验数据
Figure BDA0002272724340000203
的最佳重合状态对应的ai,bi可由函数Π的极值条件得出。求函数Π(ai,bi)极小值可先求
Figure BDA0002272724340000204
极小值，对函数Π求偏导并展开的方程组为：
Figure BDA0002272724340000205
将所定义函数取极值，必要条件是使函数的偏导数为零，即：
Figure BDA0002272724340000206
设函数中积分为
Figure BDA0002272724340000207
k取0,1,2,3,化学特性数据
Figure BDA0002272724340000208
与失效准则数据
Figure BDA0002272724340000209
由上诉步骤试验获得，带入计算得到0～60不同老化周期内求和数值A1,A2,A3,B1；
Figure BDA00022727243400002010
将表格中数据带入上式计算，从而得到1736cm-1基团吸收峰强度化学特性变化数据
Figure BDA00022727243400002011
与粘接结构失效准则试验数据
Figure BDA00022727243400002012
的最大相关度
Figure BDA00022727243400002013
且计算得到的
Figure BDA00022727243400002014
2923cm-1基团吸收峰强度化学特性变化数据
Figure BDA00022727243400002015
与粘接结构失效准则试验数据
Figure BDA00022727243400002016
的最大相关度
Figure BDA00022727243400002017
计算得到
Figure BDA00022727243400002018
3328cm-1基团吸收峰强度化学特性变化数据
Figure BDA00022727243400002022
与粘接结构失效准则试验数据
Figure BDA00022727243400002019
的最大相关度
Figure BDA00022727243400002020
计算得到
Figure BDA00022727243400002021
以上得出了各单条化学特性相关的离散数据与粘接结构失效准则的最佳重合状态对应的ai、bi，则化学特性变化规律最佳重合状态
Figure BDA0002272724340000211
可表示为：
Figure BDA0002272724340000212
其中，ai为最佳重合状态时的旋转因子，bi为最佳重合状态时的平移因子；
基于统计学原理的初步筛选，将粘接结构失效准则最佳重合状态下的各单组化学特性数据
Figure BDA0002272724340000213
进行加权组合，计算
Figure BDA0002272724340000214
经加权组合后与
Figure BDA0002272724340000215
在同一横坐标下残差平方，其中还应考虑权重系数λi的影响，表示为
Figure BDA0002272724340000216
并将所有的线性组合计算的残差平方和以及失效准则试验数据与不同老化周期失效准则试验数据平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得参数λi的泛函Φ(λi)，(λi对应第i条的关键化学特性)，定义函数为：
Figure BDA0002272724340000217
在已知最佳重合度的ai,bi的水平下，由函数Φ的极值条件求出对应的最优解
Figure BDA0002272724340000218
Φ的极小值min(Φ)就是两组数据最佳重合状态在整个寿命区间的残差平方和。求泛函Φ(λi)的极小值可先求
Figure BDA0002272724340000219
极小值，(其中
Figure BDA00022727243400002110
已知)对函数Φ求偏导为：
Figure BDA00022727243400002111
将所定义的泛函取极值，必要条件是该函数使泛函的偏导数为零，
Figure BDA00022727243400002112
带入各项数据得如下方程组：
Figure BDA0002272724340000221
令积分：
Figure BDA0002272724340000222
Figure BDA0002272724340000223
则将上式方程组简化为如下三元三次方程组：
Figure BDA0002272724340000224
代入数据解得：
Figure BDA0002272724340000225
综上所述，利用最终求得的化学特性加权组合形式来对人工老化下的粘接结构失效准则进行预测，将计算得到的
Figure BDA0002272724340000226
代入
Figure BDA0002272724340000227
作为预测函数对基于胶粘剂化学特性分析的复杂应力状态下的粘接结构不同老化周期的失效准则进行预测。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化试验，并且在不同老化周期间隔时间内取出所述不同粘接角度的粘接试件进行准静态拉伸破坏试验，记录拉伸失效载荷及失效界面区域；
步骤二、根据所述拉伸失效载荷及失效界面区域确定不同老化周期的不同粘接角度的粘接结构失效准则和胶粘剂的多条化学特性样本数据；
步骤三、将所述化学特性样本数据与所述失效准则进行相关性分析，选取与所述失效准则相关联的作为关键化学特性，将关键化学特性随老化周期变化的数据进行相关变换建立以旋转因子、平移因子的分析泛函，获得所述粘接结构失效准则处于最佳重合状态的化学特性；
步骤四、对所述最佳重合状态的化学特性进行加权组合获得权重系数的最优解；
步骤五、建立基于胶粘剂化学特性分析的在复杂应力状态下的粘接结构不同老化周期的失效准则预测函数，对粘接结构进行失效预测；
其中，所述失效准则预测函数为
Figure FDA0002272724330000011
式中，ai为最佳重合状态时的旋转因子，bi为最佳重合状态时的平移因子，λi为最佳重合状态的加权组合形式对应的权重系数最优解，
Figure FDA0002272724330000012
为粘接结构失效准则，
Figure FDA0002272724330000013
为关键化学特性随老化周期变化的数据，m为筛选后的关键化学特性数量。
2.如权利要求1所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，在所述步骤二中，将所述失效载荷作用在所述失效界面区域，获得结构失效点和失效应力，计算获取不同老化周期的粘接接头在复杂应力状态下的等效应力，根据等效应力公式建立所述粘接结构失效准则：
Figure FDA0002272724330000021
其中，
Figure FDA0002272724330000022
σm为应力球张量，
Figure FDA0002272724330000023
为与时间t相关的失效准则数据样本点，t取值为0,1,2,…,k，共k+1个。
3.如权利要求1所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，在所述步骤三中，建立以旋转因子ai、平移因子bi的分析泛函后，根据极值条件确定最优解ai、bi的过程包括如下步骤：
步骤1、对所述关键化学特性随老化周期变化的数据
Figure FDA0002272724330000024
进行旋转和平移的基本变换，获得以比例因子ai和平移因子bi为参数的函数族：
Figure FDA0002272724330000025
式中，
Figure FDA0002272724330000026
为变换后的以(ai,bi)为参数的离散函数族，ai为旋转因子，bi为平移因子，t为时间；
步骤2、以粘接结构失效准则
Figure FDA0002272724330000027
作为基准数据，分别建立各单条化学特性对应的化学特性数据
Figure FDA0002272724330000028
与粘接结构失效准则
Figure FDA0002272724330000029
相关泛函Π(ai,bi)：
Figure FDA00022727243300000210
式中，Π(ai,bi)为以(ai,bi)为参数的泛函数，
Figure FDA00022727243300000211
为的失效准则试验数据，
Figure FDA00022727243300000212
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤3、根据如下极值条件计算得出ai、bi：
Figure FDA00022727243300000213
4.如权利要求1所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，在所述步骤四中，建立关于权重系数λi的分析泛函以及根据极值条件求得最优解λi，包括如下步骤：
步骤1、将所述粘接结构失效准则最佳重合状态下的各条化学特性变化规律
Figure FDA00022727243300000214
进行加权组合，计算
Figure FDA00022727243300000215
经加权组合后与
Figure FDA00022727243300000216
在同一横坐标下残差平方
Figure FDA0002272724330000031
其中，
Figure FDA0002272724330000032
步骤2、将所有的线性组合计算的残差平方和以及失效准则与不同老化周期失效准则试验数据平均值二者的残差平方，并按取点周期累加，得参数λi的泛函Φ(λi)；
其中，
Figure FDA0002272724330000033
式中，Φ(λi)为以λi为参数的泛函数，
Figure FDA0002272724330000034
为失效准则试验试验数据，
Figure FDA0002272724330000035
为粘接结构失效准则试验数据的平均值；
步骤3、根据如下极值条件计算得出λi：
Figure FDA0002272724330000036
5.如权利要求2所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，在所述步骤二中，将所述失效载荷作用在所述失效界面区域，获得结构失效点和失效应力，计算获取不同老化周期的粘接接头在复杂应力状态下的等效应力，根据等效应力公式建立所述粘接结构失效准则，包括如下步骤：
步骤1、将所述失效载荷作用在所述失效界面区域，获得结构失效点和失效应力；
其中，所述失效应力包括：三个正应力分量σx、σy、σz和三个剪应力分量τxy、τyz、τxz；
步骤2、计算得到偏应力的第二应力不变量J2和第三应力不变量J3：
Figure FDA0002272724330000037
Figure FDA0002272724330000038
式中，
Figure FDA0002272724330000039
σm为应力球张量；
步骤3、基于等效应力公式建立得出粘接结构失效准则的数学表达式：
Figure FDA0002272724330000041
式中，k为等效系数；
步骤4、将所述数学表达式代入不同老化周期的试验数据得到粘接结构失效准则试验数据
Figure FDA0002272724330000043
t取0,1,…,k。
6.如权利要求5所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，k＝9/2。
7.如权利要求1所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，在步骤三中、所述化学特性样本数据与所述失效准则的相关度：
Figure FDA0002272724330000042
8.如权利要求1-7中任一项所述的基于胶粘剂化学特性分析的粘接结构失效准则的预测方法，其特征在于，在所述步骤一中，对不同粘接角度的粘接试件进行人工加速老化试验包括如下步骤：
步骤1、选择粘接结构基材类型；
步骤2、在0°～90°角度范围内制作按Δα梯度增加的多组粘接试棒，每组制作N0对粘接试棒；
步骤3、对多组粘接试棒粘接面进行打磨、清洁等前处理；
步骤4、设计粘接工装夹具，并将多组相对应角度的粘接试棒装配在工装夹具上，利用胶枪将选用的胶粘剂均匀涂抹在粘接面上，在粘接时，保证每对粘接试棒的对中性，最后完成试件粘接；
步骤5、将粘接好的粘接试件放在标准的固化环境下固化；
步骤6、将上述固化完全的多组不同粘接角度对应的粘接试件放入高低温湿环境箱中，参考车辆粘接结构加速老化实验标准DIN6701设置粘接试件的老化环境，对粘接试件进行总老化时间为M的人工加速老化试验，每隔老化周期T将每组不同粘接角度的试件取出N1个。
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