CN111948133B - 一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：步骤1、在车身全服役温度区间内测定不同温度下粘接接头的准静态失效强度后，建立失效强度随温度变化的函数；步骤2、确定粘接接头疲劳加载频率；步骤3、进行不同温度下的粘接接头的疲劳试验，获得不同温度下指定寿命的循环应力中的最大应力后，建立不同温度下的S‑N曲线函数；步骤4、将不同温度下的S‑N曲线函数中的疲劳参数拟合成关于试验温度的函数，进而获得应力幅‑温度‑疲劳断裂循环寿命拟合函数后，将其拟合成T‑S‑N疲劳性能曲面；步骤5、根据温度影响因子获得接头准静态拉伸时的危险点应力，同时对所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值进行判断，最终根据T‑S‑N疲劳性能曲面中得到所述粘接接头实际循环寿命。

Description

一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及粘接接头疲劳性能测试技术领域，尤其涉及一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法。

背景技术

汽车在行驶过程中会受到来自多方面的动态交变载荷作用，导致车身粘接结构在长期服役过程中很容易发生疲劳破坏，从而严重影响车辆安全性。同时车辆在实际运行过程中，车身粘接结构往往还受到温度、湿度、盐雾和紫外线等因素的作用，不同环境因素对粘接接头性能存在较大的影响。考虑到可以采用密封胶和涂装等手段有效降低湿度、盐雾和紫外线的影响，因此，温度成为影响粘接结构性能的最主要因素。在复合材料粘接接头中，粘接剂和复合材料基底均为高分子材料，具有温度敏感性，在不同温度下其静、动态性能发生改变，特别是当温度接近材料玻璃转化温度T_g时，变化更为明显。因此，对粘接接头在车辆服役温度区间内的疲劳性能进行测试具有十分重要的意义。

在研究实际结构中胶粘剂受力作用时，由于实际实验中无法对整个粘接结构进行受力分析，只能通过粘接接头来模拟实际结构胶粘剂的受力。目前粘接接头疲劳试验装置主要的缺点和不足有：现有的疲劳加载装置只能对粘接接头施加剪切方向和拉伸方向的载荷，无法使粘接接头承受压力，所以现有的疲劳装置只能施加r＞0的循环载荷；现有的疲劳装置对非轴向载荷比较敏感，试件容易承受非轴向载荷；现有的疲劳装置对试件加载进行疲劳作业时，试件伸缩容易产生晃动，对加载装置寿命影响较大；现有的疲劳加载装置及测试方法主要针对常温条件，没有充分考虑温度的影响；现有疲劳加载装置通常只能对单一试件进行加载；现有疲劳加载装置只能对单一试件进行加载，效率较低；现有的疲劳性能测试方法不能实现任意循环特征下的一定温度范围内任意应力幅下的疲劳寿命预测。

发明内容

本发明设计开发了一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，本发明的发明目的是通过粘接接头在任意温度及不同循环特征下的疲劳寿命预测方法，实现不同循环特征以及任意温度下的粘接接头实际疲劳寿命预测。

本发明提供的技术方案为：

一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：

步骤1、在车身全服役温度区间内测定不同温度下粘接接头的准静态失效强度后，建立失效强度随温度变化的函数；

步骤2、确定粘接接头疲劳加载频率；

步骤3、进行不同温度下的粘接接头的疲劳试验，获得不同温度下指定寿命的循环应力中的最大应力后，建立不同温度下的S-N曲线函数；

步骤4、将不同温度下的S-N曲线函数中的疲劳参数拟合成关于试验温度的函数，进而获得应力幅-温度-疲劳断裂循环寿命拟合函数后，将其拟合成T-S-N疲劳性能曲面；

步骤5、根据温度影响因子获得接头准静态拉伸时的危险点应力，同时对所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值进行判断：

当所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值r′≠-1时，将实际工作循环应力幅σ′_T,a等寿命的转换为特征值为r′＝-1的应力幅σ′_{T,a(r′＝-1)}后，通过所述T-S-N疲劳性能曲面得到所述粘接接头实际循环寿命；

当所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值r′＝-1时，使用所述危险点应力通过所述T-S-N疲劳性能曲面得到所述粘接接头实际循环寿命。

优选的是，在所述步骤1中，所述全服役温度区间为-40℃～100℃。

优选的是，在所述步骤2中，确定粘接接头疲劳加载频率过程包括：

在所述粘接接头预埋热电偶，通过不同频率对所述粘接接头进行加载试验，在不产生过热的影响下，选择保证疲劳试验效率的基础上的频率作为所述粘接接头疲劳加载频率。

优选的是，在所述步骤3中，通过升降法获得不同温度下指定寿命的循环应力中的最大应力。

优选的是，在所述步骤3中，所述S-N曲线函数为

lg N＝-m_iσ·lg e+lg C_i；

式中，m_i和C_i为疲劳参数，i＝1,2,…,t+1，t为所述全服役温度区间进行等分数。

优选的是，在所述步骤4中，所述应力幅-温度-疲劳断裂循环寿命拟合函数为N＝C(T)/e^m(T)σ。

优选的是，在所述步骤5中，所述温度影响因子为

式中，σ_T(T)为准静态失效强度随时间变化的函数，σ_T(20)为常温下的准静态失效载荷值。

优选的是，在所述步骤5中，

式中，σ'_T,a为实际工作疲劳加载应力幅值，σ'_T,a(r'＝-1)为实际工作转化为对称循环下的应力幅值。

优选的是，在所述步骤1中，建立失效强度随温度变化的函数所使用的温度为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃和80℃。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，针对之前的疲劳试验装置主要在常温下进行试验，没有充分考虑温度和不同循环特征值影响的问题，本实验装置在环境箱中进行不同温度下循环特征为r＝-1的疲劳试验，得到不同温度下的粘接接头的标准S-N曲线，即可预测任意温度下的粘接接头循环特征为r＝-1实际疲劳寿命；

2、本发明提供的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，针对之前的疲劳试验装置主要针对循环特征为r＞0的疲劳载荷，本发明方法可通过Goodman法则，将循环特征r≠-1的实际工作循环应力幅σ'_T,a等寿命的转换为特征值为r'＝-1的应力幅σ'_T,a(r'＝-1)，再将σ'_T,a(r'＝-1)带入到疲劳性能曲面中，从而实现预测任意温度且循环特征不同的粘接接头实际疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明所述的基于考虑温度影响的多试件粘接接头拉压疲劳试验装置的示意图。

图2为本发明所述的环境箱装置的示意图。

图3为本发明所述的动力输入装置的示意图。

图4为本发明所述的上压紧装置的示意图。

图5为本发明所述的粘接接头的示意图。

图6为本发明所述的试件支座十字轴装置的示意图。

图7为本发明所述的下压紧装置的示意图。

图8为本发明所述的活动限位器装置的示意图。

图9为本发明所述的固定限位器装置的示意图。

图10为本发明所述的在全服役温度区间下的粘接接头T-S-N疲劳性能曲面的测试方法的方法流程图。

图11为本发明所述的试样的升降法试验结果图。

图12为本发明所述的粘接接头T-S-N疲劳性能曲面示意图。

图13为本发明所述的对接粘接接头尺寸示意图。

图14为本发明所述的对接接头夹具示意图。

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。

本发明提供一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，本发明方法，针对现有研究无法直接得到粘接接头对称循环下的标准S-N曲线，首先通过疲劳试验装置进行不同温度下特征循环值为r＝-1的疲劳试验得到标准的S-N曲线，进而将所得各温度下的粘接接头S-N曲线拟合成T-S-N疲劳性能曲面之后便可对任意温度以及不同循环特征值r的粘接接头的疲劳寿命进行预测，为实际应用中的粘接结构寿命预测提供基本参数和依据，方便后期对车窗粘接剂的疲劳特性进行研究。

如图1所示，本发明中提供的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法通过使用基于考虑温度影响的多试件粘接接头拉压疲劳试验装置进行测试，该多试件粘接接头拉压疲劳试验装置的主体结构由环境箱装置、动力输入装置、上压紧装置、粘接接头、试件支座十字轴装置、下压紧装置、活动限位器装置、固定限位器装置组成；具体的零件组成包括：

如图2所示，环境箱装置包括：在环境箱5上方可拆卸的布置油缸7，油缸7具有动力输出轴，油缸支撑板2和环境箱上支撑板4之间的距离可通过螺纹杆3调节，通过螺母1连接螺纹杆3和上支撑板4；

如图3所示，动力输入装置包括：可拆卸的传感器8安装在油缸7的动力输出轴上，环境箱下支撑板6固定安装在所述环境箱5内部顶板上，伸缩杆9的一端与油缸7的动力输出轴相连，伸缩杆9与环境箱上支撑板4、环境箱5、环境箱下支撑板6之间有空隙，U型件10与伸缩杆9的另一端通过螺纹连接，一级平衡梁12通过平衡梁销轴11与U型件10相连，T型限位件14通过螺钉13与U型件10相连，控制箱15固定在环境箱内，通过控制线16连接控制箱15和油缸7；

如图4所示，上压紧装置包括：多个上压紧固定块19上端与环境箱下支撑板6连接，多个上压紧块21上端与上压紧固定块19下端通过螺钉压紧连接；其中，上压紧装置有8个，通过螺母17将螺栓18把上压紧固定块19压紧在环境箱下支撑板6上，通过轴承20将十字轴29与上压紧固定块19和上压紧块21连接起来，最后通过螺钉22将上压紧块21压紧在上压紧固定块19上；

如图5所示，粘接接头包括：多个试件铝棒上23的上端通过平头销轴27和内六角螺栓压紧在(上)试件支座十字轴装置上，多个试件铝棒下25的下端通过平头销轴27和内六角螺栓压紧在(下)试件支座十字轴装置上，其中，通过胶层24将试件铝棒上23和试件铝棒下25粘接在一起；其中，粘接接头有4个；

如图6所示，(上/下)试件支座十字轴装置包括：多个十字轴29通过轴承与多个上压紧装置通过轴承配合再使用螺钉压紧，多个试件支座28通过销轴和轴承与十字轴29相连；其中，试件支座十字轴装置有8个，通过内六角螺栓26将平头销27压紧，通过轴承30将销31与十字轴29相连；

如图7所示，下压紧装置包括：多个下试件支座十字轴装置通过轴承与下压紧装置配合，多个下压紧块33通过螺栓连接在二级平衡梁34上，其中，通过轴承36连接十字轴29和下压紧块33与二级平衡梁34，并通过螺栓32和螺母35将下压紧块33与二级平衡梁34压紧；其中，下压紧装置有4个；

如图8所示，活动限位器装置包括：活动限位器中的两个活动限位器轴承37与T型限位件14的另外两个面相接触，其中的活动限位器轴承37可绕短销44转动，通过弹簧39可以实现摇臂42的复位以限制伸缩杆9作业时的晃动，其中，通过螺钉45将活动限位器底座38固定在环境箱5上，在短销41两端压紧垫圈40，在短销44两端压紧垫圈43；其中，活动限位器装置有2个；

如图9所示，固定限位器装置包括：固定限位器中的两个固定限位器轴承46与T型限位件14的两个面相接触，通过螺钉50将固定限位器底座49固定在环境箱5上，短销47用来连接固定限位器轴承46和固定限位器底座49，在短销48两端压紧垫圈47；其中，固定限位器装置有2个。

结合附图对本发明中所使用的基于考虑温度影响的多试件粘接接头拉压疲劳试验装置的做进一步的具体说明。

首先将动力输入装置中的油缸7、传感器8、伸缩杆9、控制箱15、控制线16安装在环境箱装置上，再将U型件10通过螺纹连接安装到伸缩杆9上，一级平衡梁12通过平衡梁销轴11与U型件10连接，通过螺钉13将T型限位件14与U型件10连接，将8个上压紧装置通过螺栓18固定到环境箱装置上，再将4个试件支座十字轴装置分别通过轴承30与十字轴29两端圆柱面配合连接到8个上压紧装置上，将2个下压紧装置通过二级平衡梁34的圆柱孔与一级平衡梁12两端圆柱面过盈配合连接，再将4个支座十字轴装置分别通过轴承30与十字轴29两端圆柱面配合连接到下压紧装置上，最后通过8个平头销轴27将4个粘接接头与8个上下试件支座十字轴装置连接，通过16个内六角螺钉26将粘接接头与上下试件支座十字轴装置压紧配合，最后将两个活动限位器装置、两个固定限位器装置通过4个螺钉45、4个螺钉50固定在环境箱5底部。

在另一种实施例中，为使粘接接头承受压缩载荷，将粘接接头通过平头销轴27压紧在试件支座十字轴装置上。

在另一种实施例中，粘接接头上端采用由(上)试件支座十字轴装置和上压紧装置组成的(上)类十字万向节结构，粘接接头下端采用由(下)试件支座十字轴装置和下压紧装置组成的(下)类十字万向节结构。

在另一种实施例中，由固定限位器装置和活动限位器装置组成了防侧摆稳定控制结构。

在另一种实施例中，可对多个粘接接头同时施加拉伸和压缩载荷。

在另一种实施例中，所述的类十字万向节结构中，十字轴29的两端圆柱轴线与十字轴29销孔所在轴线相互垂直且在同一平面内，形成空间铰链结构，其中试件支座28可绕十字轴销孔偏转±5°，十字轴29可绕其两端圆柱面轴线偏转±5°，防止粘接接头因装配误差承受非轴向载荷。

在另一种实施例中，在上压紧装置中，先将多个上压紧固定块19上端通过螺栓18与所述的环境箱下支撑板6连接，再将多个上压紧块21上端与上压紧固定块19下端通过螺钉22压紧连接。

在另一种实施例中，在动力输入装置中，在一级平衡梁12前后两侧有销孔，通过平衡梁销轴11铰接一级平衡梁12和U型件10，U型件10以螺纹连接油缸伸缩杆9，其中U型件10的3个内表面均与一级平衡梁12的三个外表面相接触，以防止一级平衡梁12绕轴线翻转。

在另一种实施例中，在防侧摆稳定控制结构中，伸缩杆9与环境箱5、环境箱上支撑板4和环境箱下支撑板6之间有空隙，为防止伸缩杆9晃动，在环境箱底部安装有2个活动限位器和2个固定限位器，用4个轴承限制T型限位件14的四个侧面的移动和伸缩杆9的晃动，作为导向结构。

在另一种实施例中，在下压紧结构中，二级平衡梁34与一级平衡梁12之间为过盈配合，将输入载荷通过二级平衡梁34等分到4个粘接接头上。

在另一种实施例中，粘接接头由试件铝棒上23、试件铝棒下25和胶24构成，上下铝合金试棒一端各有一个销孔。

在另一种实施例中，十字轴29内孔有5°拔模斜度。

在另一种实施例中，T型限位件14下端与环境箱底板的距离至少为200mm。

如图10所示，本发明提供的一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：

步骤一、选择粘接剂及铝基材，制作粘接接头；

步骤二、测定不同温度下粘接接头的准静态失效强度K_T，即选取车身服役温度区间(-40℃～100℃)，并参考粘接剂玻璃化转换温度T_g，将温度区间平均划分成t等分，取t+1个温度点作为典型温度点；

步骤三、根据步骤二中的试验数据点进行曲线拟合，建立失效强度随温度变化的函数σ_T(T)，单位为Mpa；

步骤四、确定粘接接头疲劳加载频率f，即在粘接接头上预埋热电耦，用不同频率对接头进行加载，因加载频率过高会产生热效应，所以在不对装置产生过热的影响下，选择保证疲劳试验效率的基础上的频率作为试验加载频率；

步骤五、进行不同温度下的粘接接头特征循环值为r＝-1的疲劳试验，用升降法获得某温度下指定寿命N_T的循环应力中的最大应力σ_T,max；此时有式(1)和式(2)：

σ_T,min＝r·σ_T,max＝-σ_T,max (1)

σ_T,a＝(σ_T,max-σ_T,min)/2＝σ_T,max (2)

步骤六、将步骤五得到的不同温度下的试验数据点拟合成不同温度下的S-N曲线函数；

选取指数形式的S-N曲线数学表达式进行拟合，即

其中，m_i和C_i为疲劳参数(i＝1,2,...t+1)；

将公式(3)两边取对数得到公式(4)如下：

lg N＝-m_iσ·lg e+lg C_i (4)

将N_T取对数得到lg N_T，将数据点(σ_T,max,lg N_T)带入公式(4)从而获得几个选取温度点下对应的疲劳参数m,C以及不同温度下的粘接接头S-N曲线函数，在不同温度下的应力σ和失效循环次数N_T的对数lg N_T的关系是一条曲线；

步骤七、基于最小二乘法，将不同温度下S-N曲线函数中的(t+1)个疲劳参数m和C拟合成关于试验温度的函数m(T)和C(T)，从而获得应力幅-温度-疲劳断裂循环寿命拟合函数如式(5)和式(6)所示，通过MATLAB 2019b将其拟合成T-S-N疲劳性能曲面如图12所示；

e^m(T)σ·N＝C(T) (5)

N＝C(T)/e^m(T)σ (6)

步骤八、计算温度影响因子R，如式(7)所示：

式中，σ_T(T)为准静态失效强度随时间变化的函数，σ_T(20)为常温下的准静态失效载荷值；

步骤九、通过温度影响因子R，对此温度下的接头有限元模型胶层本构参数进行修正，并根据有限元模型计算结果获得接头准静态拉伸时的危险点应力σ'_T,max；

步骤十、判断所要预测的实际接头疲劳寿命中所对应的外载荷循环特征值是否为r'＝-1；式中，r'代表所要预测的实际接头循环加载时的特征值；

步骤十一、若特征循环值r'≠-1，则通过Goodman法则，将实际工作循环应力幅σ'_T,a等寿命的转换为特征值为r'＝-1的应力幅σ'_T,a(r'＝-1)；

其中，Goodman法则如式所示：

式中，σ'_T,a为实际工作疲劳加载应力幅值，σ'_T,a(r'＝-1)为实际工作转化为对称循环下的应力幅值，σ'_T,m为实际工作疲劳加载的平均应力，σ'_T,max为通过有限元模型仿真获得的粘接接头准静态拉伸时的实际危险点应力；其中，σ'_T,m如式(9)所示：

通过式(8)和式(9)最终可得式(10)：

步骤十二、根据所要预测的接头在实际温度和所对应的变换后的疲劳应力幅σ'_T,a(r'＝-1)带入到T-S-N疲劳性能曲面解析式(6)中，通过MATLAB 2019b计算最后得到粘接接头实际循环寿命N_real；

步骤十三、若特征循环值r'＝-1，则可直接将步骤九中的危险点应力带入到公式(6)中计算接头实际寿命N_real。

实施例

如图1所示，本发明中提供的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法通过使用基于考虑温度影响的多试件粘接接头拉压疲劳试验装置进行测试，该多试件粘接接头拉压疲劳试验装置的主体结构由环境箱装置、动力输入装置、上压紧装置、粘接接头、试件支座十字轴装置、下压紧装置、活动限位器装置、固定限位器装置组成。

其中，环境箱装置主要包括：油缸支撑板2、螺纹杆3、环境箱上支撑板4、环境箱5、环境箱下支撑板6；动力输入装置主要包括：油缸7、传感器8、伸缩杆9、U型件10、平衡梁销轴11、一级平衡梁12、T型限位件14、控制箱15、控制线16；上压紧装置主要包括：上压紧固定块19、上压紧块21；试件支座十字轴装置主要包括：平头销轴27、试件支座28、十字轴29、十字轴销轴31；粘接接头主要包括：试件铝棒上23、胶24、试件铝棒下25；下压紧装置主要包括：下压紧块33、二级平衡梁34；活动限位器装置主要包括：活动限位器轴承37、活动限位器支座38、弹簧39、短销41、摇臂42、短销44；固定限位器装置包括：固定限位器轴承46、短销48、固定限位器支座49。

将动力输入装置中的油缸7、传感器8、伸缩杆9、控制箱15、控制线16安装在环境箱装置上，再将U型件10通过螺纹连接安装到伸缩杆9上，一级平衡梁12通过平衡梁销轴11与U型件10连接，通过螺钉13将T型限位件14与U型件10连接，将8个上压紧装置通过螺栓18固定到环境箱装置上，再将4个试件支座十字轴装置分别通过轴承30与十字轴29两端圆柱面配合连接到8个上压紧装置上，将2个下压紧装置通过二级平衡梁34的圆柱孔与一级平衡梁12两端圆柱面过盈配合连接，再将4个支座十字轴装置分别通过轴承30与十字轴29两端圆柱面配合连接到下压紧装置上，最后通过8个平头销轴27将4个粘接接头与8个上下试件支座十字轴装置连接，通过16个内六角螺钉26将粘接接头与上下试件支座十字轴装置压紧配合，最后将两个活动限位器装置、两个固定限位器装置通过4个螺钉45、4个螺钉50固定在环境箱5底部。

对于上压紧装置，先将多个上压紧固定块19上端通过螺栓18与所述的环境箱下支撑板6连接，再将多个上压紧块21上端与上压紧固定块19下端通过螺钉22压紧连接。

粘接接头由试件铝棒上23、试件铝棒下25和胶24构成，上下铝合金试棒一端各有一个销孔。

十字轴29的两端圆柱轴线与十字轴29前后销孔轴线相互垂直且在同一平面内，形成类十字万向节结构，即空间铰链结构，且试件支座28可绕十字轴销轴31偏转±5°，十字轴29可绕其两端圆柱面轴线偏转±5°，防止粘接接头因装配误差承受非轴向载荷。

在一级平衡梁12前后两侧有销孔，通过平衡梁销轴11铰接一级平衡梁12和U型件10，U型件10以螺纹连接油缸伸缩杆9，其中U型件10的3个内表面均与一级平衡梁12的三个外表面相接触。

在环境箱5底部安装有2个活动限位器装置和2个固定限位器装置，用4个轴承限制T型限位件14的四个侧面，作为导向结构，且T型限位件14的下端与环境箱底板的距离至少为200mm。

具体操作过程包括：

步骤一、选择粘接剂及铝基材，制作粘接接头；在本实施例中，以对接粘接接头为例，尺寸如图13所示；

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200.2×25×25mm³，其中粘接面积为25×25mm²，胶层厚度为0.2mm；两个铝合金试棒尺寸均为100×25×25mm³，在远离胶层两端设加载孔，可以通过销轴与环境与载荷耦合加载试验装置连接；在本实例中，选用胶粘剂为双组份环氧胶粘剂

2015，铝合金材料为6061，为了保证有效地完成粘接接头制作，设计了如图14所示的工装夹具完成铝合金对接粘接接头的制作；

为了保证有效地粘接，在本实施例中，采用了如下的粘接步骤：

步骤1、参考标准ISO 17212-2004对粘接基材进行表面预处理；其中，铝合金粘接表面采用#80氧化铝喷砂处理(空气压力0.5MPa，喷砂时间10秒)；

步骤2、使用专用擦拭纸蘸取丙酮，对喷砂后的铝合金粘接表面进行去脂和清洁；

步骤3、待基材粘接表面干燥后，将胶粘剂均匀涂抹于铝合金试棒的粘接面；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，在粘接面上均匀地放置约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，对粘接接头强度几乎没有影响；

步骤4、在粘接夹具V型槽55中放入铝合金试棒，并用螺栓连接压板54和底座56进行预固定，旋转螺杆57推动铝合金试棒51，挤压出多余的胶粘剂52，完成接头制作；

步骤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；

步骤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；

步骤二、测定不同温度下粘接接头的准静态失效强度σ_T，即选取车身服役温度区间(-40℃～100℃)，并参考粘接剂玻璃化转换温度T_g，将温度区间平均划分成t等分，取t+1个温度点作为典型温度点；

在本实施例中，选取得温度点分别为：-40℃，-20，0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，对应的准静态失效强度分别为：48.756Mpa，43.764Mpa，42.1Mpa，36.564Mpa，31.764Mpa，21.076Mpa，11.124Mpa；

步骤三、根据步骤二中的试验数据点进行曲线拟合，建立失效强度随温度变化的函数σ_T(T)，单位为MPa如下式(11)所示：

σ_T(T)＝42.1-0.24T-1.84×10^-3T² (11)

步骤四、确定粘接接头疲劳加载频率f；

具体过程包括：在粘接接头上预埋热电耦，用不同频率对接头进行加载，因加载频率过高会产生热效应，所以在不对装置产生过热的影响下，选择保证疲劳试验效率的基础上的频率作为试验加载频率；在本实施例中，选取得加载频率为5HZ；

步骤五、进行不同温度下的粘接接头特征循环值为r＝-1的疲劳试验，用升降法获得某温度下指定寿命N_T的循环应力中的最大应力σ_T,max；

其中，当特征循环值为r＝-1时，有式(12)和式(13)如下：

σ_T,min＝r·σ_T,max＝-σ_T,max (12)

σ_T,a＝(σ_T,max-σ_T,min)/2＝σ_T,max (13)

在此实施例中，具体而言，升降法如下：

升降法疲劳试验是在指定疲劳寿命下测定破坏应力，从而比较精确地测出疲劳极限；选取某一试验温度点，在指定寿命下，如N＝10⁷次，试验从高于粘接试件疲劳极限的应力水平开始，先预设一加载应力水平

为疲劳极限(

初选为粘接接头初始强度σ_T的0.2倍)，在

作用下试验第1根试样，该试样在未达到指定寿命N＝10⁷之前发生了破坏，于是，第2根试样就在低一级的应力

下进行试验，一直试验到第4根试样时，因该试样在

作用下经N＝10⁷循环没有破坏(越出)，故依次进行第5根试样就在高一级的应力

下进行试验；按照这规定：凡前一根试样不到N＝10⁷循环破坏，则随后的一次试验就要在低一级的应力下进行，知道完成全部试验为止，各相邻应力之差称为“应力增量”，在整个过程中，应力增量保持不变；

如图11所示，有16个试样的升降法试验结果：处理试验结果时，在第一对出现相反结果以前的数据均舍弃；如图中的点3和点4是第一对出现的相反结果，因此，数据点1(对应

应力水平)和点2(对应

应力水平)均舍弃，而第一次出现的相反结果点3(对应

应力水平)和点4(对应

应力水平)的应力平均值

就是常规疲劳试验法给出的疲劳极限值；同理，第二次出现的相反结果点5(对应

应力水平)和点6(对应

应力水平)的应力平均值，也相当于常规疲劳实验法给出的疲劳极限；如此，把所有邻近出现相反结果的数据点都配成对子：7(对应

应力水平)和8(对应

应力水平)、10(对应

应力水平)和11(对应

应力水平)、12(对应

应力水平)和13(对应

应力水平)、15(对应

应力水平)和16(对应

应力水平)。最后，对于不能直接配对的数据点9(对应

应力水平)和点14(对应

应力水平)，也可以凑成一对，总计共有7个对子，由这7对应力求得的7个疲劳极限的平均值，即可作为此温度下疲劳极限的精确值σ_T,max如式(14)所示：

由上式(15)可以看出，括号内各级应力前的系数，恰好代表在各级应力下试验的次数(舍弃点1和2除外)，将这些用“配对法”得出的结果作为疲劳极限的数据点进行统计处理，即可得到疲劳极限的平均值；

当最后一个数据点的下一根试样恰好回到第一个有效数据点时，则有效数据点恰能互相配成对子；因此，用小子样升降法进行试验时，最好进行到最后一个数据点和第一个有效数据点恰好衔接。升降法试验最好在4级应力水平下进行。当完成了第6或第7根试验的试验后，就可以按式(15)开始计算σ_T,max值，并陆续计算出第8、9、10、……根试样试验后的σ_T,max值；当这些值的变化越来越小，趋于稳定时，试验即可停止，将完成最后一根试样试验所计算出的σ_T,max值，作为欲求的此温度下指定寿命对应的疲劳极限；在一般情况下，大约需要10多根试样；应用升降法试验测定疲劳极限的关键，在于应力增量Δσ的选取；一般来说，应力增量最好选择的可以使试验在4级应力水平下进行，为此，建议如下选择应力增量的方法，即：已知由常规疲劳试验法测定的σ_T,max，当已知由常规疲劳试验测定的σ_T,max时，可取4％～6％的σ_T,max作为应力增量Δσ；依此类推，改变指定寿命，得到不同温度下，每一个指定寿命对应的疲劳极限σ_T,max；

步骤六、将步骤五得到的不同温度下的试验数据点拟合成不同温度下的S-N曲线函数；

选取指数形式的S-N曲线数学表达式进行拟合，即

其中，m_i和C_i为疲劳参数(i＝1,2,...t+1)；

将公式(16)两边取对数得到公式(17)：

将N_T取对数得到lg N_T,将数据点(σ_T,max,lg N_T)带入公式(17)从而获得几个选取温度点下对应的疲劳参数m,C以及不同温度下的粘接接头S-N曲线函数，在不同温度下的应力σ和失效循环次数N_T的对数lg N_T的关系是一条曲线；

根据此实施例中选取得温度点分别为：-40℃，-20，0℃，20℃，40℃，60℃，80℃，对应的函数关系如下：

-40℃时，

-20℃时，

0℃时，

20℃时，

40℃时，

60℃时，

80℃时，

步骤七、基于最小二乘法，将不同温度下S-N曲线函数中的(t+1)个疲劳参数m和C拟合成关于试验温度的函数m(T)和C(T)如式(18)和式(19)所示，从而获得应力幅-温度-疲劳断裂循环寿命拟合函数如式(20)所示，通过MATLAB 2019b将其拟合成T-S-N疲劳性能曲面如图12所示，最终得到疲劳断裂循环寿命如式(21)所示：

m(T)＝1.0743+0.01193·T+4.72E-5·T² (18)

C(T)＝10^7.5 (19)

e^m(T)σ·N＝C(T) (20)

即

步骤八、计算温度影响因子R，如式(22)所示：

式中，σ_T(T)为准静态失效强度随时间变化的函数，σ_T(20)为常温下的准静态失效载荷值；

步骤九、通过温度影响因子R，对此温度下的接头有限元模型胶层本构参数进行修正，并根据有限元模型计算结果获得接头准静态拉伸时的危险点应力σ'_T,max；

在本实施例中，以实际温度60℃为例，将实际温度带入到公式(22)中，得到温度影响系数为R＝0.574，通过将原始内聚力本构参数与影响系数相乘，获得修正后内聚力参数，同时，在有限元模型中施加实际外载荷最大值为18282N(60℃准静态失效载荷的80％)，计算得到危险点应力为5.67MPa；

步骤十、判断所要预测的实际接头疲劳寿命中所对应的外载荷循环特征值是否为r'＝-1，其中r'代表所要预测的实际接头循环加载时的特征值；

此实施例中选取实际接头外载荷循环特征值r'＝0.1；

步骤十一、若特征循环值r'≠-1，则通过Goodman法则，将实际工作循环应力幅σ'_T,a等寿命的转换为特征值为r'＝-1的应力幅σ'_T,a(r'＝-1)；

其中Goodman法则如式所示：

其中，σ'_T,a为实际工作疲劳加载应力幅值，σ'_T,a(r'＝-1)为实际工作转化为对称循环下的应力幅值，σ'_T,m为实际工作疲劳加载的平均应力，σ'_T,max为通过有限元模型仿真获得的粘接接头准静态拉伸时的实际危险点应力；其中，σ'_T,m如式(19)所示：

通过式(18)和式(19)最终可得式(20)：

此实施例中当r'＝0.1时，σ'_T,a(r'＝-1)＝7.56MPa。

步骤十二、根据所要预测的接头在实际温度和所对应的变换后的疲劳应力幅σ'_T,a(r'＝-1)带入到T-S-N疲劳性能曲面解析式(21)中，通过MATLAB 2019b计算最后得到粘接接头实际循环寿命N_real＝28，最终实现粘接接头在服役温度区间内的疲劳性能测试及任意温度和不同循环特征时的循环次数预测。

步骤十三、若特征循环值r'＝-1，则可直接将步骤九中的危险点应力5.67MPa带入到公式(21)中计算接头实际寿命N_real。

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 (9)

1.一种全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在车身全服役温度区间内测定不同温度下粘接接头的准静态失效强度后，建立失效强度随温度变化的函数；

步骤2、确定粘接接头疲劳加载频率；

步骤3、进行不同温度下的粘接接头特征循环值为r＝-1的疲劳试验，获得不同温度下指定寿命的循环应力中的最大应力后，建立不同温度下的S-N曲线函数；

步骤4、将不同温度下的S-N曲线函数中的疲劳参数拟合成关于试验温度的函数，进而获得应力幅-温度-疲劳断裂循环寿命拟合函数后，将其拟合成T-S-N疲劳性能曲面；

步骤5、根据温度影响因子获得接头准静态拉伸时的危险点应力，同时对所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值进行判断：

当所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值r′≠-1时，将实际工作循环应力幅σ′_T,a等寿命的转换为特征值为r′＝-1的应力幅σ′_{T,a(r′＝-1)}后，通过所述T-S-N疲劳性能曲面得到所述粘接接头实际循环寿命；

当所要预测的实际接头疲劳寿命中对应的外载荷循环特征值r′＝-1时，使用所述危险点应力通过所述T-S-N疲劳性能曲面得到所述粘接接头实际循环寿命。

2.如权利要求1所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述全服役温度区间为-40℃～100℃。

3.如权利要求1所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤2中，确定粘接接头疲劳加载频率过程包括：

在所述粘接接头预埋热电偶，通过不同频率对所述粘接接头进行加载试验，在不产生过热的影响下，选择保证疲劳试验效率的基础上的频率作为所述粘接接头疲劳加载频率。

4.如权利要求1所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤3中，通过升降法获得不同温度下指定寿命的循环应力中的最大应力。

5.如权利要求4所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述S-N曲线函数为

lgN＝-m_iσ·lge+lgC_i；

式中，m_i和C_i为疲劳参数，i＝1,2,…,t+1，t为所述全服役温度区间进行等分数。

6.如权利要求1所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述应力幅-温度-疲劳断裂循环寿命拟合函数为N＝C(T)/e^m(T)σ。

7.如权利要求1所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤5中，所述温度影响因子为

式中，σ_T(T)为准静态失效强度随时间变化的函数，σ_T(20)为常温下的准静态失效载荷值。

8.如权利要求1所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤5中，

式中，σ'_T,a为实际工作疲劳加载应力幅值，σ'_T,a(r'＝-1)为实际工作转化为对称循环下的应力幅值。

9.如权利要求1-8中任一项所述的全服役温度区间下的粘接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，在所述步骤1中，建立失效强度随温度变化的函数所使用的温度为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃和80℃。

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