CN111678863A - 一种对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法制作CFRP/铝合金对接、剪切粘结接头；将所述离散数据点拟合成粘结接头老化后失效强度随老化时间变化规律曲线；获得各个官能团平均吸光度随老化时间的变化规律曲线；通过相关性分析筛选出特征官能团；最后得到耦合工况老化后单一应力状态下的基于多个特征官能团权重组合后的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数。本发明还公开了一种对接、剪切粘结接头的法向和切向方向的退化因子函数的计算方法。本发明还公开了一种对接、剪切粘结接头失效老化三十天后的二次应力失效准则的计算方法。

Description

一种对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法

技术领域

本发明涉及车身异种材料连接结构设计领域，发明了一种对接、剪切粘 结接头失效强度预测函数优化方法。

背景技术

近年来，随着汽车产业规模的不断扩大，其所带来的能源消耗和环境污染 等问题日益严重。而通过多材料混合使用实现汽车轻量化是解决当前所面临 问题的有效途径之一。CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)、铝合金、镁 合金以及高强度钢等材料凭借其良好的轻量化效果，在汽车工业中的应用日 益广泛。实现不同材料之间的有效连接是多材料汽车结构设计中的关键技术 之一。

目前大多数研究建立了单独正应力、剪应力状态下的基于胶粘剂化学特性 的粘结接头失效强度预测方法。但关于复杂应力状态下的薄胶层粘结接头和 其他粘结结构的失效强度预测目前仍旧缺乏行之有效的方法。而在实际服役 工况下，薄胶层粘结结构通常受到拉伸和剪切应力混合的复杂应力状态作用， 不同的应力状态往往会影响结构的力学响应，导致结构呈现不同的性能，所 以提出一种复杂应力状态下的薄胶层粘结结构失效准则确定具有重要意义。

目前粘结结构的失效强度预测较少涉及老化影响，但胶粘剂及复合材料具 有温度敏感性，环境温度的变化会影响其力学性能。同时长期湿热环境可能 导致粘结接头老化。除了外部环境影响外，车用粘结接头在服役过程中受到 交变载荷的作用，很容易发生疲劳失效。而且在载荷持续作用下，粘结接头 性能会出现一定程度的退化。因此，研究温度、湿度及交变载荷耦合老化作 用对复合材料粘结接头性能的影响，提供有效的老化后粘结接头失效准则确 定，具有十分重要的意义。

目前针对胶层较薄的胶粘接头的强度预测普遍的做法是采用内聚力模型， 内聚力模型广泛应用于胶粘接头开裂等问题。但是该方法在工程使用中存在 其局限性，例如，在内聚力模型中用内聚力单元仿真胶层单元，内聚力单元 完全失效裂纹扩展的判据是单元的断裂能或者位移是否达到临界值。单元进 入损伤阶段后，再根据断裂能控制单元的损伤程度也即单元的承载能力。但 目前断裂能的测量方法还不统一，准确测试难度大，相关测量标准在理论分 析上也不够严谨。断裂能是一个宏观的能量，通过测试获得胶层的断裂能， 是裂纹及裂纹四周材料的能量之和，用断裂能对裂纹进行描述并不准确，所 以提出一种适用于评价工程上的粘结结构失效准则确定方法具有重要意义。

发明内容

本发明设计开发了一种对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法。

本发明另一个发明目的是提供一种对接、剪切粘结接头的法向和切向方 向的退化因子函数的计算方法。

本发明另一个发明目是提供一种对接、剪切粘结接头失效老化三十天后 的二次应力失效准则的计算方法。

一种对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法，

步骤1：制作CFRP/铝合金对接、剪切粘结接头；

步骤2：每间隔不同周期，对加速老化后的对接、剪切粘结接头分别进 行力学性能测试，记录不同老化周期所对应的粘结接头失效强度随老化时间 的离散数据，将所述离散数据点拟合成粘结接头老化后失效强度随老化时间 变化规律曲线；

步骤3：取与力学性能测试相对应的加速老化周期的粘结接头的胶粘剂 样本进行FTIR测试；提取FTIR测试获得的特征官能团吸光度，从而获得各 个官能团平均吸光度随老化时间的变化规律曲线；

步骤4：将所述官能团平均吸光度随老化时间的变化规律曲线和所述粘 结接头老化后失效强度随老化时间变化规律曲线进行离差标准化以消除不同 量纲的影响；再将离差标准化后的各曲线进行归一化处理；通过相关性分析 筛选出特征官能团；获得胶粘剂中的环氧、羰基、酯基和羟基4个特征官能 团吸光度随老化时间变化的曲线；

步骤5：通过所述4个特征官能团吸光度曲线与粘结接头老化后失效强 度随老化时间变化规律曲线实现重合，得到的曲线为单一应力状态下基于胶 粘剂单个特征官能团吸光度的4个对接接头耦合老化后失效强度预测函数

和4个剪切接头耦合老化后失效强度预测函数

其中，下标1，2，3，4依次对应环氧、羰基、酯基和羟基；

步骤6：酯基吸光度变化规律曲线与对接、剪切接头失效强度均具有最 高的拟合精度，将酯基作为老化后对接接头、剪切接头失效强度预测函数；

步骤7：通过泛函变分为0，得到权重组合系数，最后得到耦合工况老化 后单一应力状态下的基于多个特征官能团权重组合后的对接、剪切粘结接头 失效强度预测函数依次为P^BJ(t),P^SJ(t)：

作为一种优选，所述步骤7中：

定义接头失效强度基于胶粘剂各官能团吸光度随老化时间的变化规律曲 线预测函数P(t)：

其中

A'_k(t)＝a_kA_k(t)+b_kt+c_k

k代表进行胶粘剂化学测试的第k个官能团；λ_k、a_k、b_k和c_k依次分别为权 重、缩放、旋转和平移因子；t为老化时间；A_k(t)是特征官能团吸光度随老 化时间的变化函数。A'_k(t)为A_k(t)经过缩放、旋转和平移后的函数。

定义包含权重系数λ_k的泛函，其分子为组合后吸光度变化规律曲线与失 效强度变化规律曲线的残差值平方在(0,t)区域上积分，分母为失效强度变化规 律曲线的平方在(0,t)区域上积分；

组合后函数与接头失效强度达到最佳重合状态时所对应的权重因子同样 由泛函极值条件计算获得：

即：

其中，λ_k为权重因子，P(t)为基于多个官能团吸光度曲线权重重组后的 老化后接头失效强度预测函数，S(t)为通过老化后接头准静态试验得到的接头 失效强度随老化时间变化曲线，A'_k(t)为A_k(t)经过缩放、旋转和平移后的函数。

通过求解获得对应权重系数。

作为一种优选，所述步骤3还包括：

用干净的刀片从接头铝合金侧失效断面刮取，重量均约为1～2mg。采用 红外光谱仪以衰减全反射方式测试样品表面光谱图，光谱范围为4000-600 cm^-1，分辨率为4cm^-1；分别提取不同老化时间下经三次FTIR测试获得的特 征官能团吸光度，并计算平均值，从而获得各个官能团平均吸光度随老化时 间的变化规律A_k(t),(k＝1，2，3……n)其中n为所有要分析的官能团数量，k代表进 行胶粘剂FTIR化学测试的第k个官能团，A_k(t)代表第k个官能团的吸光度随 老化时间变化的函数。

作为一种优选，所述步骤4还包括：

计算官能团吸光度与接头失效强度之间的相关系数r，通过相关性分析筛 选出来的m个特征官能团；根据相关系数筛选出与两种接头失效强度之间存 在高度相关性的特征官能团，相关系数r绝对值大于0.8时对应的官能团定义 为特征官能团，其与接头失效强度相关性显著。

作为一种优选，所述步骤1还包括：

对两种接头进行湿热和交变载荷耦合工况下的加速老化试验，将湿、热 和载荷三种影响因素同时对粘结试件进行加速老化。

一种对接、剪切粘结接头的法向和切向方向的退化因子函数的计算方法， 法向和切向方向的退化因子函数依次为D_nor,D_tan：

其中P^BJ(t)和P^SJ(t)为基于胶粘剂化学特性的对接、剪切粘结接头失效强 度预测函数；P^BJ(0)和P^SJ(0)为通过预测函数获得的未老化对接、剪切粘结接 头初始强度。

一种对接、剪切粘结接头失效老化三十天后的二次应力失效准则的计算 方法，

利用老化30天后的临界牵引力值，得到老化三十天后的二次应力失效准 则为：

本发明所述的有益效果：

本发明基于单一应力状态下的失效强度预测函数提出了将耦合工况老化 后的法向和切向方向的退化因子函数，用于修正复杂应力状态下薄胶层的内 聚力参数，从而实现基于化学特性分析的薄胶层粘结结构二次应力失效准则 的确定方法，此方法不仅仅针对于单一应力状态下的粘结接头，还可以应用 到复杂应力状态下的粘结结构。

针对目前大多数研究更多地考虑静态载荷的影响，较少涉及交变载荷及 其与环境因素耦合老化的影响。为了更全面的根据汽车实际服役工况建立考 虑多因素耦合老化的试验条件以服务于车辆粘结结构的快速设计。本发明进 行多因素耦合工况作用条件下的粘结接头加速老化试验，提出一种对接、剪 切粘结接头失效强度预测函数优化方法。

针对内聚力模型单元进入损伤阶段后，需使用断裂能参数对单元后续进 行损伤判断，但目前断裂能的测量方法还不统一，准确测试难度大，所以将 内聚力模型损伤演化阶段的能量法投入到工程上使用存在一定的局限性。在 本发明中，不需要对胶粘剂的法向和切向断裂能进行测试，即可对粘结结构 进行失效强度分析，可在一定程度上提高工程实用性。

附图说明

图1基于胶粘剂化学特性的老化后对接、剪切失效强度预测方法流程图。

图2基于老化后二次应力失效准则对粘结结构失效强度评价的流程图。

图3 CFRP/铝合金对接、剪切粘结接头示意图(单位：mm)。

图4 CFRP/铝合金剪切粘结接头加载方式示意图(单位：mm)。

图5对接、剪切粘结接头工装夹具三维示意图。

图6粘结接头失效强度随老化时间的变化规律。

图7老化不同时间的胶粘剂FTIR光谱图。

图8胶粘剂各典型官能团吸光度随老化时间的变化规律。

图9基于酯基吸光度的对接、剪切接头老化后失效强度预测与试验对比误 差。

图10基于多个官能团吸光度的对接、剪切接头老化后失效强度预测与试验 对比误差。

图11单搭接接头尺寸示意图(单位：mm)。

图12单搭接接头老化不同时间试验与仿真失效载荷对比。

具体实施方式

下面结合附图对本专利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和图2所示，本发明提供的一种基于化学特性分析的薄胶层粘结 结构老化后二次应力失效准则的确定方法。

实施例如下：

步骤一、制作对接、剪切粘结接头，为模拟粘结结构在汽车服役过程中 的老化工况，对两种接头进行湿热/交变载荷耦合工况下的加速老化试验，将 湿/热/载荷三种影响因素同时对粘结试件进行人工加速老化，每个老化周期以 等间隔z天进行选取。

其中对接、剪切粘结接头试件制作过程如下：

所设计的CFRP/铝合金对接、剪切粘结接头尺寸示意图如图3所示。CFRP 层合板两侧通过胶粘剂与两个铝合金试棒连接在一起，接头总体尺寸为 204.4×25×25mm³，其中粘结面积为25×25mm²，CFRP两侧胶层厚度均为0.2 mm。两个铝合金试棒尺寸均为100×25×25mm³，在远离CFRP侧设置有加载 孔，可以通过销轴与环境与载荷耦合加载试验装置连接。当CFRP边缘存在 明显应力集中时，可能导致接头从层合板处发生失效，出现CFRP分层现象， 此时测试获得的结果不再是所需要的CFRP/铝合金粘结强度，而受到所采用 的复合材料层间性能的影响。为了避免该现象，所采用的CFRP板面积大于 粘结面积，为35×35mm²。本实例选用胶粘剂为双组份环氧胶粘剂

2015，铝合金材料为6061，CFRP为T300/YPH-23。为了保证有效地完成粘 结接头制作，设计了如图4所示的工装夹具完成CFRP/铝合金对接、剪切粘 结接头的制作。为了保证有效地粘结，采用了如下的粘结流程：(1)参考标 准ISO 17212-2004对粘结基材进行表面预处理。其中铝合金粘结表面采用#80氧化铝喷砂处理(空气压力0.5MPa，喷砂时间10秒)。考虑到喷砂会破坏 CFRP表面完整性，因此采用砂纸对CFRP粘结表面进行了轻微打磨。(2)使 用专用擦拭纸蘸取丙酮，对喷砂后的铝合金及打磨后的CFRP粘结表面进行 去脂和清洁。(3)待基材粘结表面干燥后，将胶粘剂均匀涂抹于铝合金试棒 的粘结面。为了保证

2015的两种成分按照1:1的比例均匀混合，同 时尽量减少胶体中的小气孔，采用专用胶枪和混合胶嘴对胶粘剂两种组分进行混合，以及施胶。为了保证胶层厚度，在粘结面上均匀地放置约20粒直径 为0.2±0.02mm的玻璃珠。以往研究表明，当用于控制胶层厚度的玻璃珠总 体积小于胶层体积4％时，对粘结接头强度几乎没有影响。(4)在粘结夹具V 型槽中放入铝合金试棒，并用螺栓连接压板和底座进行预固定。将CFRP轻 贴在胶粘剂上，并微调其位置，尽量保证CFRP与粘结区域对中。旋转螺杆 推动铝合金试棒，挤压出多余的胶粘剂，完成接头制作。(5)挤出的残余胶 粘剂固化后会形成胶瘤，对接头的强度存在一定的影响。因此在胶粘剂完全 固化前，采用刮板清除余胶。(6)在试验环境下固化24小时后，将接头从夹 具拆卸下来，并进行2小时的80℃高温固化。固化结束后将接头取出晾至 常温，完成制作。其中，对接接头加载方式为轴向拉伸加载，剪切接头加载 方式如图5所示。

选取温度为80℃，湿度为95％RH的老化环境同时在此耦合老化试验装 置中进行正弦恒幅拉-拉循环载荷，应力比r为0.1，频率为5Hz，其最大峰 值为625N的交变载荷老化，将湿/热/载荷三种老化因素同时对粘结试件进行 0天(未老化)、10天、20天、30天、40天、50天、60天的人工加速老化。

步骤二、每间隔不同周期，对加速老化后的对接、剪切粘结接头分别进 行力学性能测试，即将加速老化后的对接、剪切粘结接头进行准静态拉伸试 验，即可记录不同老化周期所对应的粘结接头失效强度随老化时间的离散数 据，将试验得到的离散数据点拟合成曲线S_BJ(t),S_SJ(t)。

对接、剪切粘结接头老化后接头剩余强度测试是通过准静态拉伸试验完 成的，在耦合老化后，对接头立即进行准静态拉伸试验，记录实验中接头的 失效载荷，即为老化后粘结接头的剩余强度，拟合成曲线如图6所示。

步骤三、为探究影响接头力学性能的因素，取与力学性能测试相对应的 加速老化周期的粘结接头的胶粘剂样本进行FTIR测试，用干净的刀片从接头 铝合金侧失效断面刮取，重量均约为1～2mg。采用红外光谱仪VERTEX70， 以衰减全反射方式测试样品表面光谱图，扫描次数为128次，光谱范围为 4000-600cm^-1，分辨率为4cm^-1。其中老化不同时间的胶粘剂FTIR光谱图如 图7所示，在波谱图中老化前后胶粘剂各官能团吸收峰位置基本没有发生迁 移，但某些官能团吸光强度出现了变化。分别提取不同老化时间下经三次 FTIR测试获得的特征官能团吸光度，并计算平均值，从而获得各个官能团平 均吸光度随老化时间的变化规律A_k(t),(k＝1，2，3……n)，如图8所示，其中n为所 有要分析的官能团数量，k代表进行胶粘剂FTIR化学测试的第k个官能团， A_k(t)代表第k个官能团的吸光度随老化时间变化的函数。

步骤四、将曲线A_k(t),(k＝1，2，3……n)和曲线S_BJ(t),S_SJ(t)进行离差标准化以消除不同量纲的影响；再将离差标准化后的各曲线进行归一化处理；通过相关 性分析筛选出特征官能团；最终获得通过相关性分析筛选出的胶粘剂各特征 官能团吸光度随老化时间变化的曲线A_k(t),(k＝1，2，3……m)其中m为所有要分析 的特征官能团数量，k代表进行胶粘剂FTIR化学测试的第k个官能团，A_k(t)代 表第k个特征官能团的吸光度随老化时间变化的函数。

其中，采用离差标准化方法，对原始数据进行线性变换，使处理结果映 射到[0,1]区间内，对于序列x₁,x₂,…,x_n，离差标准化公式如式(1)所示：

则处理后新的数据序列y_i∈[0,1]，且无量纲。其中，分别将不同老化时 间的同一官能团吸光度和不同老化时间的接头失效强度作为序列变量带入式 (1)，即可得到消除量纲影响的老化后官能团吸光度曲线和粘结接头失效强度 曲线。

再将消除量纲影响得到的曲线进行归一化处理，比如选取比较稳定的波 数为1508cm^-1处苯环吸光度作为基准点。把不同老化天数的吸光度在此波数 下的数据点通过乘法变换与该基准点进行重合，比较在其他波数上各官能团 的变化幅度。

最后通过相关性分析归一化后的各曲线，可以计算官能团吸光度与接头 失效强度之间的相关系数r。将通过相关性分析筛选出来的m个官能团称为特 征官能团。根据相关系数筛选出与两种接头失效强度之间存在高度相关性的 特征官能团，相关系数r的值在-1到1之间，当r为1，说明两变量完全的线 性相关。本文中将r绝对值大于0.8时对应的官能团定义为特征官能团，认为 其与接头失效强度相关性显著。其中本发明中使用的

2015胶粘剂， 官能团吸光度相关性r绝对值大于0.8的分别为波数914cm^-1、1648cm^-1、1736cm^-1和3325cm^-1处的官能团，即环氧、羰基、酯基和羟基，所以最终筛选出 对接头性能影响较大的官能团有m＝4个。

步骤五、以曲线S_BJ(t),S_SJ(t)为目标，通过对步骤四相关性分析后筛选出 的4个特征官能团吸光度曲线进行缩放、旋转和平移这些基本变换，使其与 粘结接头老化后失效强度随老化时间变化规律曲线实现最佳重合，变换后得 到的曲线即为单一应力状态下基于胶粘剂单个特征官能团吸光度的4个对接 接头耦合老化后失效强度预测函数

和4个剪切接头耦合老化后失效强 度预测函数

如下式(2)—式(9)所示：

步骤六、通过相关度计算，得到老化后对粘结接头失效强度影响最高的 官能团，将此官能团老化后的吸光度曲线作为对接、剪切接头失效强度预测 函数。

在本实施例中，针对基于相关性评价所筛选出的4个特征官能团，其中 酯基(1736cm^-1)吸光度变化规律曲线与对接、剪切接头失效强度均具有最 高的拟合精度(大于95％)。所以，暂将酯基吸光度变换后曲线作为预测函数， 最终得到老化后对接接头、剪切接头失效强度预测函数

如式(6)和 式(7)所示：

为了进一步验证拟合效果，将不同老化时间酯基吸光度代入预测函数， 计算出归一化的对接、剪切接头失效强度无量纲量，然后根据不同老化时间 的失效强度试验数据还原得到接头失效强度预测结果。试验结果与预测结果 之间的相对误差如图9所示，由图可知，不同老化时间对接、剪切接头失效 强度预测值和试验值相对误差均在±1％以内，说明所建立的预测函数具有良 好的拟合精度，基于曲线基本变换的拟合方法是有效的。

步骤七、以曲线S_BJ(t),S_SJ(t)为目标曲线，首先通过对m个相关度高的官能 团吸光度曲线进行平移、旋转、缩放这些基本曲线变换将其分别与S_BJ(t),S_SJ(t)相 重合，再将得到的m个变换后的曲线进行权重重组，根据泛函变分为0确定 权重重组系数，再一次将权重组合变换后的曲线与S_BJ(t),S_SJ(t)相重合，最终获 得单一应力状态下基于多个胶粘剂特征官能团吸光度的对接、剪切粘结接头 耦合老化后失效强度预测函数P^BJ(t),P^SJ(t)。

在上式中代入不同老化时间各特征官能团吸光度归一化数据、老化时间， 即可计算出对接、剪切接头失效强度无量纲量。然后根据实验室加速老化测 试结果和曲线变换逆变换对其进行还原，得到老化后接头失效强度预测结果。 试验结果与预测结果之间的相对误差如图10所示。其中，对接、剪切接头预 测误差均在±0.5％以内，所建立的预测函数具有良好的拟合精度。

在此实施例中，步骤六中根据相关度计算得到的对接头失效强度影响较 大的特征官能团所建立的接头失效强度预测函数具有一定的有效性，为提高 预测精度，拟通过引入权重因子，分别对4个对接粘结接头失效强度预测函 数

和4个剪切粘结接头失效强度预测函数

进行权重组合，通过泛 函变分为0，得到权重组合系数，获得单一应力状态下基于胶粘剂多个特征 官能团吸光度曲线与老化后接头失效强度曲线之间的量化关系，即对接、剪 切粘结接头耦合老化权重重组后失效强度预测函数P^BJ(t),P^SJ(t)，以此实现预 测方法的优化。

具体而言，确定失效强度预测函数P^BJ(t),P^SJ(t)的过程如下：

定义接头失效强度基于胶粘剂各官能团吸光度随老化时间的变化规律曲 线预测函数P(t)如式(10)所示：

其中

A'_k(t)＝a_kA_k(t)+b_kt+c_k (11)

在上述式(10)和式(11)中，k代表进行胶粘剂化学测试的第k个官能团；λ_k、 a_k、b_k和c_k依次分别为权重、缩放、旋转和平移因子；t为老化时间；A_k(t)是 特征官能团吸光度随老化时间的变化函数。A'_k(t)为A_k(t)经过缩放、旋转和 平移后的函数。

定义包含权重系数λ_k的泛函，如式(12)所示，其分子为组合后吸光度变化 规律曲线与失效强度变化规律曲线的残差值平方在(0,t)区域上积分，分母为失 效强度变化规律曲线的平方在(0,t)区域上积分。

组合后函数与接头失效强度达到最佳重合状态时所对应的权重因子同样 由泛函极值条件计算获得，如式(13)所示：

即：

其中，λ_k为权重因子，P(t)为基于多个官能团吸光度曲线权重重组后的 老化后接头失效强度预测函数，S(t)为通过老化后接头准静态试验得到的接头 失效强度随老化时间变化曲线，A'_k(t)为A_k(t)经过缩放、旋转和平移后的函数。

通过求解式(14)中的线性方程组，即可获得对应权重系数。最终得到耦合 工况老化后单一应力状态下的基于多个特征官能团权重组合后的对接、剪切 粘结接头失效强度预测函数P^BJ(t),P^SJ(t)，如式(15)和式(16)所示。

在上式中代入不同老化时间各特征官能团吸光度归一化数据、老化时间， 即可计算出对接、剪切接头失效强度无量纲量。然后根据实验室加速老化测 试结果对其进行还原，即曲线对应的平移、旋转、伸缩基本变换的逆变换， 得到老化后接头失效强度预测结果。

步骤八、通过对接、剪切粘结接头耦合老化后的失效强度预测函数 P^BJ(t),P^SJ(t)，确定法向和切向方向的退化因子函数D_nor,D_tan如式(17)和式(18) 所示

其中P^BJ(t)和P^SJ(t)为基于胶粘剂化学特性的对接、剪切粘结接头失效强 度预测函数；P^BJ(0)和P^SJ(0)为通过预测函数获得的未老化对接、剪切粘结接 头初始强度。随着老化时间的增加，两种退化因子函数均由1到0单调变化， 此法向和切向的退化因子函数可为后续复杂应力粘结结构分析做准备。

步骤九、通过软件ABAQUS6.14建立基于内聚力方法的单搭接接头有限 元仿真模型。如图11所示为单搭接接头尺寸示意图。

胶层采用内聚力单元(软件自带COH3D8),铝合金采用三维实体单元(软 件自带C3D8R)、CFRP采用连续壳单元(软件自带SC8R)，三部分均为实体 模型，采用六面体网格划分，基材与胶粘剂通过共节点方式进行连接。接头 一端采用固定约束，限制所有平动及转动自由度，而另一端沿x方向施加平 动位移，并限制其余方向自由度，模型采用ABAQUS/Explicit模块进行准静 态分析，并考虑材料的几何非线性。

中的smoothstep幅值创建方 法可以自动地创建一条光滑的载荷幅值，使用这种载荷幅值不会产生振荡所 以允许用户进行准静态分析。

步骤十、选择内聚力模型中的二次应力准则作为失效准则，如式(19)所示。

其中T_n、T_s和T_t分别代表法向和两个切向的牵引力；

和

为对应方 向的临界牵引力；符号< >表示胶粘剂在压应力作用下不会发生破坏。

步骤十一、确定基于内聚力有限元模型的初始参数，胶粘剂未老化参数 如下：

2015有限元模型初始参数：杨氏模量：E：1.85GPa；泊松比： μ：0.33；临界牵引力

29.28Mpa、

26.51Mpa、

/Mpa：26.51Mpa。

步骤十二：输入单搭接接头老化天数，通过法向和切向退化因子函数， 假设胶粘剂有限元模型各参数随着退化因子等比例变化，则在原有参数基础 上引入退化因子函数，即可得到老化不同时间后胶粘剂有限元模型各参数函 数，从而确定耦合老化后内聚力模型中的胶粘剂参数，本实施例中选用老化 天数为30天进行举例，将t＝30带入到式(17)和式(18)中，分别得到 D_nor＝0.6831；D_tan＝0.7，则老化后的临界牵引力值分别为：

步骤十三、确定老化后的内聚力模型中的二次应力失效准则参数，由此 可以对复杂应力状态下的粘结结构进行老化后的失效强度评价。将老化30天 后的临界牵引力值带入到式(20)中，得到老化30天后的二次应力失效准则如 式(21)所示：

将老化后的二次应力失效准则导入到单搭接接头内聚力有限元模型中以 后，对不同老化时间后的单搭接接头失效过程进行模拟。提取完全破坏后接 头的失效载荷，并与对应试验载荷进行对比(如图12所示)，可以发现，失 效载荷试验与仿真结果随老化时间变化规律相似，均在老化初始阶段下降迅 速，后续逐渐趋于平缓，试验与仿真结果最大误差为9.09％，证明本文所建 立的一种薄胶层粘结结构老化后二次应力失效准则的确定方法具有可行性， 可以实现对复杂应力下的粘结结构进行老化后的强度评价。

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 (7)

1.一种对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法，其特征在于，

步骤1：制作CFRP/铝合金对接、剪切粘结接头；

步骤2：每间隔不同周期，对加速老化后的对接、剪切粘结接头分别进行力学性能测试，记录不同老化周期所对应的粘结接头失效强度随老化时间的离散数据，将所述离散数据点拟合成粘结接头老化后失效强度随老化时间变化规律曲线；

步骤3：取与力学性能测试相对应的加速老化周期的粘结接头的胶粘剂样本进行FTIR测试；提取FTIR测试获得的特征官能团吸光度，从而获得各个官能团平均吸光度随老化时间的变化规律曲线；

步骤4：将所述官能团平均吸光度随老化时间的变化规律曲线和所述粘结接头老化后失效强度随老化时间变化规律曲线进行离差标准化以消除不同量纲的影响；再将离差标准化后的各曲线进行归一化处理；通过相关性分析筛选出特征官能团；获得胶粘剂中的环氧、羰基、酯基和羟基4个特征官能团吸光度随老化时间变化的曲线；

步骤5：通过所述4个特征官能团吸光度曲线与粘结接头老化后失效强度随老化时间变化规律曲线实现重合，得到的曲线为单一应力状态下基于胶粘剂单个特征官能团吸光度的4个对接接头耦合老化后失效强度预测函数

和4个剪切接头耦合老化后失效强度预测函数

其中，下标1，2，3，4依次对应环氧、羰基、酯基和羟基；

步骤6：酯基吸光度变化规律曲线与对接、剪切接头失效强度均具有最高的拟合精度，将酯基作为老化后对接接头、剪切接头失效强度预测函数；

步骤7：通过泛函变分为0，得到权重组合系数，最后得到耦合工况老化后单一应力状态下的基于多个特征官能团权重组合后的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数依次为P^BJ(t),P^SJ(t)：

2.如权利要求1所述的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法，其特征在于，所述步骤7中：

定义接头失效强度基于胶粘剂各官能团吸光度随老化时间的变化规律曲线预测函数P(t)：

其中

A'_k(t)＝a_kA_k(t)+b_kt+c_k

k代表进行胶粘剂化学测试的第k个官能团；λ_k、a_k、b_k和c_k依次分别为权重、缩放、旋转和平移因子；t为老化时间；A_k(t)是特征官能团吸光度随老化时间的变化函数；A'_k(t)为A_k(t)经过缩放、旋转和平移后的函数；

定义包含权重系数λ_k的泛函，其分子为组合后吸光度变化规律曲线与失效强度变化规律曲线的残差值平方在(0,t)区域上积分，分母为失效强度变化规律曲线的平方在(0,t)区域上积分；

组合后函数与接头失效强度达到最佳重合状态时所对应的权重因子同样由泛函极值条件计算获得：

即：

其中，λ_k为权重因子，P(t)为基于多个官能团吸光度曲线权重重组后的老化后接头失效强度预测函数，S(t)为通过老化后接头准静态试验得到的接头失效强度随老化时间变化曲线，A'_k(t)为A_k(t)经过缩放、旋转和平移后的函数；

通过求解获得对应权重系数。

3.如权利要求1或2所述的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

用干净的刀片从接头铝合金侧失效断面刮取，重量均约为1～2mg，采用红外光谱仪以衰减全反射方式测试样品表面光谱图，光谱范围为4000-600cm^-1，分辨率为4cm^-1；分别提取不同老化时间下经三次FTIR测试获得的特征官能团吸光度，并计算平均值，从而获得各个官能团平均吸光度随老化时间的变化规律A_k(t),(k＝1，2，3……n)其中n为所有要分析的官能团数量，k代表进行胶粘剂FTIR化学测试的第k个官能团，A_k(t)代表第k个官能团的吸光度随老化时间变化的函数。

4.如权利要求3所述的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法，其特征在于，所述步骤4还包括：

计算官能团吸光度与接头失效强度之间的相关系数r，通过相关性分析筛选出来的m个特征官能团；根据相关系数筛选出与两种接头失效强度之间存在高度相关性的特征官能团，相关系数r绝对值大于0.8时对应的官能团定义为特征官能团，其与接头失效强度相关性显著。

5.如权利要求4所述的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

对两种接头进行湿热和交变载荷耦合工况下的加速老化试验，将湿、热和载荷三种影响因素同时对粘结试件进行加速老化。

6.一种对接、剪切粘结接头的法向和切向方向的退化因子函数的计算方法，其特征在于，包括权利要求1-5所述的任意一项对接、剪切粘结接头失效强度预测函数优化方法；

法向和切向方向的退化因子函数依次为D_nor,D_tan：

其中P^BJ(t)和P^SJ(t)为基于胶粘剂化学特性的对接、剪切粘结接头失效强度预测函数；P^BJ(0)和P^SJ(0)为通过预测函数获得的未老化对接、剪切粘结接头初始强度。

7.一种对接、剪切粘结接头失效老化三十天后的二次应力失效准则的计算方法，其特征在于，包括权利要求6所述的对接、剪切粘结接头的法向和切向方向的退化因子函数的计算方法；

利用老化30天后的临界牵引力值，得到老化三十天后的二次应力失效准则为：

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