CN117012309A - 一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，首先构建胶接接头耦合失效的扩展幂指数损伤判据模型；制备胶层内聚失效的对接试样和剪切试样、制备母材侧界面失效的十字拉伸试样和单搭接试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为损伤判据模型中的断裂强度参数；制备3种不同斜率的变厚度母材A与等厚度母材B的单搭接试样，分别进行30°拉剪耦合试验和60°拉剪耦合试验，并进行仿真拟合，确定幂指数参数；将断裂强度参数和幂指数代入损伤判据模型，作为异质胶接接头仿真中胶的本构模型中的断裂强度模型使用，判断异质胶接接头是否开始发生失效行为。
Description
技术领域
本发明涉及胶接接头的损伤失效分析，特别涉及一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法。
背景技术
目前汽车车身结构采用多元材料的结构形式，包括高强度钢、轻质合金材料及纤维增强复合材料等。多元材料的连接方式有焊接、铆接、胶接等，其中胶接工艺可以连接各种相同或不同的材料，工艺简单、生产效率高。胶接接头的应力分布均匀、抗疲劳强度高和使用寿命长，整个胶接面都能承受载荷，具有良好的密封、绝缘、隔热、防潮、减震的功能。然而，实际中胶接接头的失效模式复杂多样，现有仿真模拟中胶接接头的损伤判据模型并未考虑接头的多种失效模式，难以精确表征胶接接头的耦合失效行为，导致仿真计算精度差。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，用于判断异质胶接接头是否开始发生失效行为。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于：
(1)构建胶接接头耦合失效的扩展幂指数损伤判据模型：
其中：σinterAIC、σinterAIIC、σinterAIIIC分别为胶与母材A界面失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σinterBIC、σinterBIIC、σinterBIIIC分别为胶与母材B界面失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σGlueIC、σGlueIIC、σGlueIIIC分别为胶自身失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σinterAI、σinterAII、σinterAIII分别为胶与母材A界面失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，σinterBI、σinterBII、σinterBIII分别为胶与母材B界面失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，σGlueI、σGlueII、σGlueIII分别为胶自身失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，幂指数α1和β1表示在胶与母材A界面失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，幂指数α2和β2表示在胶与母材B界面失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，幂指数α3和β3表示在胶自身失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响；
(2)制备胶层内聚失效的对接试样和剪切试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为σGlueI、σGlueII、σGlueIII；
制备母材A侧界面失效的十字拉伸试样和单搭接试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为σinterAI、σinterAII、σinterAIII；
制备母材B侧界面失效的十字拉伸试样和单搭接试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为σinterBI、σinterBII、σinterBIII；
(3)制备3种不同斜率的变厚度母材A与等厚度母材B的单搭接试样，分别进行30°拉剪耦合试验和60°拉剪耦合试验；由实验数据得到每组实验的力-位移曲线并且求出相应的断裂强度值，对每组实验工况进行仿真模拟，并通过幂指数的更新迭代将仿真结果曲线所求断裂强度值与实验获得的断裂强度值进行误差分析，当RSME小于0.05时满足精度要求，仿真模拟的幂指数即为所求的幂指数参数；
(4)将确定的σGlueI、σGlueII、σGlueIII、σinterAI、σinterAII、σinterAIII、σinterBI、σinterBII、σinterBIII和幂指数代入公式(1)，作为异质胶接接头仿真中胶的本构模型中的断裂强度模型使用，判断异质胶接接头是否开始发生失效行为。
进一步地，制备胶层内聚失效的对接试样的装置包括工装1前板、工装1后板、工装1底板以及工装1进给螺杆；所述工装1底板为阶梯状，工装1前板底部安装阶梯较高的一端，工装1后板底部安装在阶梯较低的一端；所述工装1底板阶梯较低的一端上设有用于放置试样的凹槽；所述工装1前板上安装工装1进给螺杆。
进一步地，制备胶层内聚失效的剪切试样的装置包括工装2前板、工装2后板、工装2底板、工装2压板以及工装2进给螺杆；所述工装2底板为阶梯状，工装2前板底部安装阶梯较高的一端，工装2后板底部安装在阶梯较低的一端；所述工装2压板放置在工装2前板和工装2后板之间，并位于阶梯较低一层上；所述工装2前板上安装工装2进给螺杆；所述工装2底板中部设有限位凸台，用于剪切试样的横向定位。
进一步地，十字拉伸试样制备的装置包括工装3前板、工装3后板、工装3连接板、工装3压板和工装3进给螺杆；所述工装3连接板呈“C”字形，且水平面为阶梯状，工装3前板下部与工装3连接板阶梯较高一侧连接在一起，工装3后板下部与工装3连接板阶梯较低一侧连接在一起；所述工装3压板倒“凸”字形，放置在工装3前板和工装3后板之间，并位于阶梯较低一层上；所述工装3前板上安装工装3进给螺杆；所述工装3压板在水平面上垂直于进给螺杆方向开设有凹槽、工装3后板在竖直面上垂直于进给螺杆方向也开设有凹槽，用于放置试样。
进一步地，单搭接试样制备的装置包括工装4前板、工装4后板、工装4底板、工装4压板和工装4进给螺杆；所述工装4底板为阶梯状，工装4前板底部安装阶梯较高的一端，工装4后板底部安装在阶梯较低的一端；所述工装4压板位于工装4前板和工装4后板之间，并位于阶梯较低一层上；所述工装4前板上安装工装4进给螺杆；所述工装4压板和工装4后板均在水平面垂直于进给螺杆的方向上设计有放置试样及垫片的凹槽，且两侧的凹槽旋转对称。
进一步地，所述(2)中，制备胶接试样过程中，通过铺设聚四氟乙烯薄膜来预制裂纹，引导胶接试样的裂纹扩展。
更进一步地，所述(2)中，制备试样时需要在试样上涂抹胶粘剂，由胶层厚度选择胶层控制垫片，其中：制备胶层内聚失效的对接试样时，胶层厚度Tglue1与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue1＝Tshim-Tboss1-Tboss2，其中Tboss1为一端对接试样凸台的高度，Tboss2为另一端对接试样凸台的高度；制备胶层内聚失效的剪切试样时，胶层厚度Tglue2与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue2＝TLoading+Tshim-TBonding1-TBonding2，其中TLoading为试样加载端宽度，TBonding1为一端剪切试样粘接端宽度，TBonding2为另一端剪切试样粘接端宽度；制备十字拉伸试样时，胶层厚度Tglue3与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue3＝Tshim+2*Tgroove-Tsample，其中Tgroove为压板和后板预先所开凹槽深度，Tsample为十字拉伸试样的厚度；制备单搭接试样，时，胶层厚度Tglue4与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue4＝Tshim+2*Tgroove-T'sample，其中Tgroove为压板和后板预先所开凹槽深度，T'sample为单搭接试样的厚度。
进一步地，所述胶层内聚失效的对接试样进行拉伸、剪切强度试验时，对接试样需配备拉剪共用夹具，拉剪共用夹具上端是与试验机装夹的夹持端，下端的连接端内部设有放置试样的空间，试验时，通过插销将对接试样和拉剪共用夹具装配。
进一步地，母材A/B侧界面失效的十字拉伸试样进行拉伸强度试验时，配备T型的试验夹具，夹具上端是与万能拉伸试验机连接的夹持端，下端与试样固定。
进一步地，单搭接试样进行拉剪耦合试验时，配备圆弧形的夹具，夹具和试样装配端与试验机轴线形成30°、60°夹角，试样夹持端夹具装配。
本发明的有益效果为：
本发明试验所用的对接试样、剪切试样、十字拉伸试样和单搭接试样分别根据试样的特点设计各自的制备装置；且制备胶接试样过程中，通过铺设聚四氟乙烯薄膜来预制裂纹，引导胶接试样的裂纹扩展，实现不同的失效模式；另外，试样胶层厚度通过垫片控制，可以在母材厚度不同的情况下，根据胶层厚度的需求，选择合适厚度的垫片来精确控制胶接试样的胶层厚度。本发明的扩展幂指数损伤判据模型在异质胶接接头仿真中能够精确判断异质胶接接头是否开始发生失效行为。
附图说明
图1(a)为本发明所述胶接接头I型断裂形式示意图；
图1(b)为本发明所述胶接接头II型断裂形式示意图；
图1(c)为本发明所述胶接接头III型断裂形式示意图；
图2(a)为本发明所述对接试样及试验加载示意图；
图2(b)为本发明所述剪切试样及试验加载示意图；
图2(c)为本发明所述十字拉伸试样及试验加载示意图；
图2(d)为本发明所述单搭接试样及试验加载示意图；
图3为本发明所述三种斜率的母材示意图；
图4(a)为本发明所述30°偏置拉剪耦合试验示意图；
图4(b)为本发明所述60°偏置拉剪耦合试验示意图；
图5为本发明所述对接试样制备装置结构示意图；
图6为本发明所述剪切试样制备装置结构示意图；
图7(a)为本发明所述十字拉伸试样制备装置结构示意图；
图7(b)为本发明所述十字拉伸试样制备装置内部一示意图；
图7(c)为本发明所述十字拉伸试样制备装置内部二示意图；
图8(a)为本发明所述单搭接试样制备装置结构示意图；
图8(b)为本发明所述单搭接试样制备装置内部一示意图；
图8(c)为本发明所述单搭接试样制备装置内部二示意图；
图9为本发明所述拉剪共用夹具结构示意图；
图10为本发明所述十字拉伸试验夹具结构示意图；
图11为本发明所述拉剪耦合试验夹具结构示意图；
图12为本发明所述异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法流程图；
图中：1-对接试样制备装置，101-工装1前板，102-工装1后板，103-工装1底板，104-工装1进给螺杆，2-剪切试样制备装置，201-工装2前板，202-工装2后板，203-工装2底板，204-工装2压板，205-工装2进给螺杆，3-十字拉伸试样制备装置，301-工装3前板，302-工装3后板，303-工装3连接板，304-工装3压板，305-工装3进给螺杆，4-单搭接试样制备装置，401-工装4前板，402-工装4后板，403-工装4底板，404-工装4压板，405-工装4进给螺杆。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，具体包括如下步骤：
一、胶接接头耦合失效的扩展幂指数损伤判据模型
异质胶接接头发生断裂时往往表现的不仅仅是单一的失效模式，而是多失效模式耦合的。然而每种失效模式下的断裂强度是不同的，需将各种失效模式的断裂强度考虑损伤判据模型中。为精确高效地判断异质胶接接头发生多失效模式耦合的损伤起始，将考虑I型、II型和III型断裂形式耦合的幂指数名义应力损伤判据模型，扩展为三种失效模式的所有断裂形式(每种失效模式均含三种断裂形式)耦合的损伤判据模型，其中幂指数参数可变并用于描述各种断裂形式间的耦合作用。构建以下数学形式的耦合失效的损伤判据模型来确定损伤起始：
式中，σinterAIC、σinterAIIC、σinterAIIIC分别为胶与母材A界面失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σinterBIC、σinterBIIC、σinterBIIIC分别为胶与母材B界面失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σGlueIC、σGlueIIC、σGlueIIIC分别为胶自身失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值；分母中σinterAI、σinterAII、σinterAIII分别为胶与母材A界面失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，σinterBI、σinterBII、σinterBIII分别为胶与母材B界面失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，σGlueI、σGlueII、σGlueIII分别为胶自身失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值。幂指数α1和β1表示在胶与母材A界面失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，幂指数α2和β2表示在胶与母材B界面失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，幂指数α3和β3表示在胶自身失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，各项的幂指数(α1、β1、α2、β2、α3、β3)通过耦合失效模式的I型和II型断裂强度试验结果进行仿真曲线拟合来参数反求获取。
上述I型、II型和III型断裂形式如图1(a)、(b)、(c)所示，分别为张开型(I型)、滑开型(II型)和撕开型(III型)，胶接接头的II型和III型断裂形式表现为不同方向上的剪切，而胶接面积相同，故认为II型和III型断裂形式单独存在时的强度值相同，即σinterBII＝σinterBIII、σGlueII＝σGlueIII。本发明通过对接试样和十字拉伸试样的拉伸试验获取I型断裂强度，相应试样及其试验示意如图2(a)、(c)所示，通过剪切试样和单搭接试样的拉伸剪切试验获取II型和III型断裂强度，相应试样及其试验示意如图2(b)、(d)所示。
二、参数获取试验方案
所需的所有实验如下表1所示，表中单种失效模式的试样分别进行拉伸强度试验和剪切强度试验并重复3次，整理试验结果获得扩展幂指数损伤判据模型中断裂强度参数(即公式(1)中的分母)。表中3种斜率多失效模式耦合的试样分别进行1次30°偏置和60°偏置拉剪耦合试验，并通过仿真拟合试验曲线从而反求出损伤判据模型中的幂指数参数。3种斜率的母材如图3所示，拉剪耦合试验如图4(a)、(b)所示。
表1参数获取试验方案
三、断裂强度参数获取流程
步骤(1)：制备获取断裂强度参数的试样
为得到特定的失效模式，需要在胶接试样制备过程中在对应位置铺入一定长度的聚四氟乙烯薄膜来预制裂纹，用来引导胶接试样的裂纹扩展，从而在试验中通过预制裂纹诱发产生相应的失效。
1)胶层内聚失效的对接试样制备
对接试样为长方体金属胶粘试样，胶层内聚失效的对接试样如图2(a)所示。具体的，材料应选择在试验过程中变形较小的金属材质，依据胶接面积选择相应的宽度与长度尺寸。试样的粘接端设计有用于放置垫片的凸台，也可起到溢出余胶的作用。试样在加载端设计有贯穿通孔，用于与拉伸试验夹具插销配合。
为更精确地制备胶层内聚失效的对接试样，本发明设计并制造了一种精确定制胶层内聚失效的对接试样制备装置，如图5所示。试样制备装置为工装1，工装1包括工装1前板101、工装1后板102、工装1底板103以及工装1进给螺杆104；工装1前板101和工装1后板102底部通过螺栓连接在工装1底板103两端；工装1底板103为阶梯状，工装1前板101安装在较高的台阶上，工装1后板102安装在较低的台阶上；工装1底板103设计有凹槽，凹槽宽度(在水平面垂直于进给螺杆的方向)与对接试样宽度一致，凹槽宽度两端还设有凸台；工装1前板101上开有螺纹孔，通过螺纹孔安装和固定工装1进给螺杆104。
进一步的，制备胶层内聚失效的对接试样步骤如下：
a.为实现胶层内聚失效，对接试样的凸台面应均匀涂有足量的胶粘剂，涂胶后在对接试样其中的胶接一端四周铺入一定宽度的聚四氟乙烯薄膜，并用透明胶带固定在对接试样上；
b.在底板的凹槽区域涂抹适量防粘油脂，将对接试样置于凹槽中，并在凸台两侧放置胶层控制垫片(垫片厚度为Tshim)来控制胶层厚度，可以通过选取不同厚度的胶层控制垫片实现不同的胶层厚度，胶层厚度为Tglue1＝Tshim-Tboss1-Tboss2，其中Tboss1为一端对接试样凸台的高度，Tboss2为另一端对接试样凸台的高度；
c.通过扭力扳手均匀旋转进给螺杆推动对接试样并施加预紧力，实现对接试样的粘接；
d.固定进给螺杆并将工装送入恒温箱进行胶粘固化，待完成固化后拆开工装，取出对接试样，去除溢出的胶并抽出聚四氟乙烯薄膜，实现胶层内聚失效的对接试样制备。
2)胶层内聚失效的剪切试样制备
剪切试样为L形台阶状试样，胶层内聚失效的剪切试样如图2(b)所示。试样的粘接端的宽度小于试样的加载端，剪切试样在加载端设计有贯穿通孔，用于与拉伸试验夹具插销配合。
为更精确地制备胶层内聚失效的剪切试样，本发明设计并制造了一种精确定制胶层内聚失效的剪切试样制备装置，如图6所示。试样制备装置为工装2，工装2包括工装2前板201、工装2后板202、工装2底板203、工装2压板204以及工装2进给螺杆205；工装2前板201和工装2后板202底部通过螺栓连接在工装2底板203两端；工装2底板203为阶梯状，工装2底板203长度方向(在水平面上垂直于给进螺杆方向)两端设有凸台；工装2底板203中部同时也设计有两限位凸台，用于剪切试样的横向定位，在中部设计有方形通孔用于溢出余胶；工装2前板201安装在阶梯较高一层，工装2后板202安装在阶梯较低一层，工装2压板204放置在工装2前板201和工装2后板202之间，并位于阶梯较低一层上；工装2前板201上开有螺纹孔，通过螺纹孔安装和固定工装2进给螺杆205；工装2前板201和工装2后板202的宽度(在水平面上垂直于给进螺杆方向)与工装2底板203的宽度一致，工装2压板204的宽度小于工装2前板201和工装2后板202的宽度。
进一步的，制备胶层内聚失效的剪切试样步骤如下：
a.为实现胶层内聚失效，剪切试样的粘接面应均匀涂有足量的胶粘剂，涂胶后在其中的胶接一端四周铺入一定宽度的聚四氟乙烯薄膜，并用透明胶带固定在剪切试样上；
b.将剪切试样置于底板凹槽中，并分别在后板与试样及压板与试样之间放置胶层控制垫片来控制胶层厚度，胶层厚度为Tglue2＝TLoading+Tshim-TBonding1-TBonding2，其中TLoading为试样加载端宽度，TBonding1为一端剪切试样粘接端宽度，TBonding2为另一端剪切试样粘接端宽度；
c.通过扭力扳手均匀旋转给进螺杆推动剪切试样并施加预紧力，实现剪切试样的粘接；
d.固定进给螺杆并将工装送入恒温箱进行胶粘固化，待完成固化后拆开工装，取出剪切试样，去除溢出的胶并抽出聚四氟乙烯薄膜，实现胶层内聚失效的剪切试样制备。
3)界面侧失效的十字拉伸试样制备
十字拉伸试样为等厚度的同质材料交叉成“十”字形状粘接的试样，如图2(c)所示。试样的两端均开有贯穿的通孔，用于与十字拉伸试验夹具装配。
为更精确地制备界面失效的十字拉伸试样，本发明设计并制造了一种精确定制界面失效的十字拉伸试样制备装置，如图7(a)、(b)、(c)所示。试样制备装置为工装3，工装3包括工装3前板301、工装3后板302、工装3连接板303、工装3压板304和工装3进给螺杆305；工装3连接板303呈“C”字形，工装3连接板303水平面为阶梯状，工装3前板301和工装3后板302下部均开设有与工装3连接板303配合的通孔，工装3前板301下部通过螺栓与工装3连接板303阶梯较高一侧连接在一起，工装3后板302下部通过螺栓与工装3连接板303阶梯较低一侧连接在一起；工装3压板304为倒“凸”字形状，放置在工装3前板301和工装3后板302之间，并位于工装3连接板303阶梯较低一层上；工装3前板301和工装3后板302的宽度(在水平面上垂直于进给螺杆方向)与工装3连接板303的宽度一致，工装3压板304的宽度小于工装3后板302的宽度，工装3压板304长度方向(在水平面上平行于进给螺杆方向)两端设有凸台；工装3前板301上开有4个螺纹孔，通过螺纹孔安装和固定4个工装3进给螺杆305；工装3压板304和工装3后板302相对面上居中分别开设有与十字拉伸试样尺寸一致的凹槽(即工装3压板304在水平面上垂直于进给螺杆方向开设有凹槽、工装3后板302在竖直面上垂直于进给螺杆方向开设有凹槽)，凹槽的深度低于试样厚度；另外，工装3后板302的凹槽上端留有方便取样的取样凹槽、下端留有方便加工的通道；工装3压板304在凹槽左右侧留有方便取样的取样凹槽和方便加工的通道。
进一步的，制备界面失效的十字拉伸试样步骤如下：
a.在底板、压板和后板凹槽非胶粘区域(除试样之外的区域)涂抹适量防粘油脂，将试样置于压板和后板预先所开凹槽中，为实现界面失效，十字拉伸试样其中之一的粘接区域铺入一定宽度的聚四氟乙烯薄膜，并用透明胶带固定在试样上，然后将粘接区域均匀涂有足量的胶粘剂；
b.根据制备试样胶层厚度选择合适厚度的胶层控制垫片，胶层厚度为Tglue3＝Tshim+2*Tgroove-Tsample，其中Tgroove为压板和后板预先所开凹槽深度，Tsample为试样的厚度；
c.将十字拉伸试样分别置于后板和压板的凹槽中，在压板和后板两侧无胶粘区域放置选择的垫片，将压板平行于后板放置于底板上并用手预先推动至压板和后板上的两试样胶接；
d.保持手压在压板上并均匀旋转给进螺杆推动压板至垫片约束位置并通过扭力扳手施加预紧力；
e.固定进给螺杆并将工装送入恒温箱进行胶粘固化，待完成固化后拆开工装，取出试样，去除溢出的胶并抽出聚四氟乙烯薄膜，实现母材侧界面失效的十字拉伸试样的制备。
4)界面侧失效的单搭接试样制备
单搭接试样通过矩形母材样件搭接胶粘制备，且在夹持端粘接与母材等厚度的金属垫片，如图2(d)所示。为更精确地制备界面失效的单搭接试样，本发明设计并制造了一种精确定制界面失效的单搭接试样制备装置，如图8(a)、(b)、(c)所示。试样制备装置为工装4，工装4包括工装4前板401、工装4后板402、工装4底板403、工装4压板404和工装4进给螺杆405；工装4前板401和工装4后板402底部通过螺栓连接在工装4底板403上，工装4底板403为阶梯状，且工装4前板401安装在阶梯较高一层，工装4后板402安装在阶梯较低一层，工装4压板404放置在工装4前板401和工装4后板402之间，并位于阶梯较低一层上；工装4前板401和工装4后板402的宽度(在水平面上垂直于进给螺杆方向)与工装4底板403的宽度一致，工装4压板404的宽度小于工装4后板402的宽度，工装4压板404在水平面垂直于进给螺杆的方向上设计有放置试样及垫片的凹槽，凹槽深度低于试样厚度；工装4后板402也设计有放置试样及垫片的凹槽，凹槽深度低于试样厚度，而凹槽布置位置与工装4压板404上凹槽的位置旋转对称；另外，凹槽上端留有方便取样的取样凹槽、下端留有方便加工的通道；工装4前板401上开有螺纹孔，通过螺纹孔安装和固定工装4进给螺杆405。
进一步的，制备界面失效的单搭接拉伸试样步骤如下：
a.在底板、压板和后板凹槽非胶粘区域(除试样之外的区域)涂抹适量防粘油脂，将试样置于压板和后板预先所开凹槽中，为实现界面失效，单搭接试样其中之一的粘接区域铺入一定宽度的聚四氟乙烯薄膜，并用透明胶带固定在试样上，然后将母材粘接区域及垫片粘接区域均匀涂有足量的胶粘剂；
b.根据制备试样胶层厚度选择合适厚度的胶层控制垫片，胶层厚度为Tglue4＝Tshim+2*Tgroove-T'sample，其中Tgroove为压板和后板预先所开凹槽深度，T'sample为试样的厚度；
c.将单搭接试样分别置于后板和压板的凹槽中，在压板和后板两侧无胶粘区域放置选择的垫片，将压板平行于后板放置于底板上并用手预先推动至压板和后板上的两试样胶接；
d.保持手压在压板上并均匀旋转给进螺杆推动压板至垫片约束位置并通过扭力扳手施加预紧力；
e.固定给进螺杆并将工装送入恒温箱进行胶粘固化，待完成固化后拆开工装，取出试样，去除溢出的胶并抽出聚四氟乙烯薄膜，实现母材侧界面失效的单搭接试样的制备。
步骤(2)：断裂强度参数获取试验
对3种不同失效模式的试样分别进行I型、II型强度试验来获得6项断裂强度参数，具体试验过程及断裂强度的获取如下：
1)胶层内聚失效试样的拉伸、剪切试验
首先对胶层内聚失效对接试样开展拉伸验并重复3次，试验在电子拉伸试验机上进行。对接试样拉伸试验需要配备拉剪共用夹具，如图9所示，拉剪共用夹具上端为与试验机装夹的夹持端，夹具下端为与试样连接的连接端，下端的内部宽度应略大于试样的夹持端宽度，保证装配完成后拉伸夹具与对接试样的夹持端应有一定的间隙。
试验时，通过插销将对接试样和拉剪共用夹具装配，拉伸试验机分别夹持拉剪共用夹具上下两端。开始加载后，上夹持端固定不动，下夹持端按照所设定的加载速率移动，对接试样的粘接区域在拉力作用下开始撕裂，拉伸夹具和连接头插销的配合使得对接试样在加载端始终受到与拉伸方向一致的作用力。
记录试验机输出的力-位移数据，以峰值力作为失效载荷，并记录失效模式和断裂位移。试验结果以胶自身失效失效模式试样失效强度的算数平均值表示，失效强度σ由失效载荷F除以有效粘接面积S来计算，计算公式如下：
其中有效粘接面积S是指去除聚四氟乙烯薄膜区域后实际的粘接面积。
取3组试验数据的平均断裂强度作为扩展幂指数损伤判据模型中的胶自身失效的I型断裂强度(即σGlueI)。
胶层内聚失效剪切试样同样开展拉伸剪切试验重复3次，试验在电子拉伸试验机上进行。同样需要配备拉剪共用夹具进行试样，剪切试样与拉剪共用夹具装夹方法和夹具与试验机的装夹方法与对接试样的拉伸试验一致，这里不再赘述。
记录试验数据和处理数据方法同上，取3组剪切试样拉伸剪切试验数据的平均断裂强度作为扩展幂指数损伤判据模型中的胶自身失效的II型和Ⅲ型断裂强度(即σGlueII、σGlueIII)。
2)界面侧失效模式的拉伸试验
首先对母材A与胶层界面失效的十字拉伸试样开展拉伸试验并重复3次，试验在电子拉伸试验机上进行。为对十字拉伸试样进行加载，设计了十字拉伸试验夹具如图10所示。该夹具为T型结构，夹具上端为与万能拉伸试验机连接的夹持端，下端的两个通孔应与十字拉伸试样上通孔对齐，通过螺栓螺母将试样与夹具固定。
试验时，通过螺栓螺母连接将十字拉伸试样和十字拉伸夹具装配，拉伸试验机分别夹持夹具上下两端。开始加载后，上夹持端固定不动，下夹持端按照所设定的加载速率移动，十字拉伸试样的粘接区域在拉力作用下开始撕裂。
记录试验机输出的力-位移数据，以峰值力作为失效载荷，并记录失效模式和断裂位移。试验结果按照公式(2)处理，以有效母材A与胶层界面失效模式试样失效强度的算数平均值表示。
取3组试验数据的平均断裂强度作为扩展幂指数损伤判据模型中的母材A与胶层界面失效的I型断裂强度(即σinterAI)。
母材B与胶层界面失效的十字拉伸试样的试验和数据处理方法如上述所示，这里不再赘述，通过试验数据处理可以得到扩展幂指数损伤判据模型中的母材B与胶层界面失效的I型断裂强度(即σinterBI)。
3)界面侧失效模式的剪切试验
首先对母材A与胶层界面失效的单搭接试样开展拉伸剪切试验并重复3次，试验在电子拉伸试验机上进行。将单搭接试样装夹在万能拉伸试验机上，在试样制备中通过胶接垫片使试样的长轴线于试验机的轴线成一条直线。以所设定的加载速度进行试验，单搭接试样的粘接区域在拉力作用下开始撕裂。记录试验机输出的力-位移数据，试验结果按照公式(2)处理，以有效母材A与胶层界面失效模式试样失效强度的算数平均值表示。
取3组试验数据的平均断裂强度作为扩展幂指数损伤判据模型中的母材A与胶层界面失效的Ⅱ型和Ⅲ型断裂强度(即σinterAII、σinterAIII)。
母材B与胶层界面失效的单搭接试样的试验和数据处理方法如上述所示，这里不再赘述，通过试验数据处理可以得到扩展幂指数损伤判据模型中的母材B与胶层界面失效的Ⅱ型和Ⅲ型断裂强度(即σinterBII、σinterBIII)。
整理上述各个试验获得的断裂强度参数并对应填入扩展幂指数损伤判据模型分母项中，即得到幂指数未知的耦合失效扩展幂指数损伤判据模型。
四、幂指数参数获取流程
步骤(1)：制备获取幂指数参数的试样
1)变厚度异质单搭接试样制备
制备3种不同斜率的变厚度母材A与等厚度母材B的单搭接试样，制备时无需插入聚四氟乙烯薄膜来制造预制裂纹，使其在断裂过程中自然发生多失效模式耦合的情况。
通过上述的单搭接试样制备装置来制备试样，制备时在后板或压板约束试样的槽中预先放置一个同变厚度试样斜率一致的试样，再放置准备胶粘的变厚度试样，使得两变厚度试样贴合从而保证了试样胶粘面水平，胶粘厚度一致，其余制备流程与界面失效的单搭接试样制备流程一致，略去制备预制裂纹步骤。
步骤(2)：幂指数参数获取试验
对三种不同斜率的母材A与等厚母材B的单搭接胶接试样分别进行30°拉剪耦合试验和60°拉剪耦合试验。为对试样进行拉剪耦合作用加载，设计了拉剪耦合试验夹具如图11所示。该夹具为圆弧形结构，夹具和试样装配端与试验机轴线形成30°和60°夹角，试样夹持端通过螺栓与拉剪耦合夹具装配。试验过程与上述一致，整理实验数据并得到每组试验的力-位移曲线，通过式(2)计算断裂强度。基于一种异质胶接接头的扩展幂指数损伤判据模型，对上述每组实验工况进行仿真模拟，并通过幂指数(即α1、β1、α2、β2、α3、β3)的更新迭代比较仿真结果断裂强度值与试验结果断裂强度值之间的RSME(均方根误差)，来评估仿真拟合的误差(具体过程为现有技术)，若RSME＜0.05，则满足精度要求，那么仿真模拟的幂指数即为所求的幂指数参数；如果不能满足则再引入另一斜率的变厚度母材A与等厚母材B单搭接胶接试样并分别进行30°拉剪耦合试验和60°拉剪耦合试验，将该试验结果带入仿真拟合试验曲线的幂指数迭代中，确定满足精度要求的幂指数值，以此类推。
五、通过上述过程确定断裂强度参数和幂指数参数，并代入公式(1)后作为异质胶接接头仿真中胶的本构模型中的断裂强度模型使用，判断异质胶接接头是否开始发生失效行为。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于：
(1)构建胶接接头耦合失效的扩展幂指数损伤判据模型：
其中：σinterAIC、σinterAIIC、σinterAIIIC分别为胶与母材A界面失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σinterBIC、σinterBIIC、σinterBIIIC分别为胶与母材B界面失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σGlueIC、σGlueIIC、σGlueIIIC分别为胶自身失效的I型、II型和III型断裂形式的应力值，σinterAI、σinterAII、σinterAIII分别为胶与母材A界面失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，σinterBI、σinterBII、σinterBIII分别为胶与母材B界面失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，σGlueI、σGlueII、σGlueIII分别为胶自身失效的I型、II型和III型断裂形式单独存在时的强度值，幂指数α1和β1表示在胶与母材A界面失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，幂指数α2和β2表示在胶与母材B界面失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响，幂指数α3和β3表示在胶自身失效情况下三种不同断裂形式对其断裂行为的耦合影响；
(2)制备胶层内聚失效的对接试样和剪切试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为σGlueI、σGlueII、σGlueIII；
制备母材A侧界面失效的十字拉伸试样和单搭接试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为σinterAI、σinterAII、σinterAIII；
制备母材B侧界面失效的十字拉伸试样和单搭接试样，并分别进行拉伸、剪切强度试验，将试验数据的平均断裂强度作为σinterBI、σinterBII、σinterBIII；
(3)制备3种不同斜率的变厚度母材A与等厚度母材B的单搭接试样，分别进行30°拉剪耦合试验和60°拉剪耦合试验；由实验数据得到每组实验的力-位移曲线并且求出相应的断裂强度值，对每组实验工况进行仿真模拟，并通过幂指数的更新迭代将仿真结果曲线所求断裂强度值与实验获得的断裂强度值进行误差分析，当RSME小于0.05时满足精度要求，仿真模拟的幂指数即为所求的幂指数参数；
(4)将确定的σGlueI、σGlueII、σGlueIII、σinterAI、σinterAII、σinterAIII、σinterBI、σinterBII、σinterBIII和幂指数代入公式(1)，作为异质胶接接头仿真中胶的本构模型中的断裂强度模型使用，判断异质胶接接头是否开始发生失效行为。
2.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，制备胶层内聚失效的对接试样的装置包括工装1前板(101)、工装1后板(102)、工装1底板(103)以及工装1进给螺杆(104)；所述工装1底板(103)为阶梯状，工装1前板(101)底部安装阶梯较高的一端，工装1后板(102)底部安装在阶梯较低的一端；所述工装1底板(103)阶梯较低的一端上设有用于放置试样的凹槽；所述工装1前板(101)上安装工装1进给螺杆(104)。
3.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，制备胶层内聚失效的剪切试样的装置包括工装2前板(201)、工装2后板(202)、工装2底板(203)、工装2压板(204)以及工装2进给螺杆(205)；所述工装2底板(203)为阶梯状，工装2前板(201)底部安装阶梯较高的一端，工装2后板(202)底部安装在阶梯较低的一端；所述工装2压板(204)放置在工装2前板(201)和工装2后板(202)之间，并位于阶梯较低一层上；所述工装2前板(201)上安装工装2进给螺杆(205)；所述工装2底板(203)中部设有限位凸台，用于剪切试样的横向定位。
4.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，十字拉伸试样制备的装置包括工装3前板(301)、工装3后板(302)、工装3连接板(303)、工装3压板(304)和工装3进给螺杆(305)；所述工装3连接板(303)呈“C”字形，且水平面为阶梯状，工装3前板(301)下部与工装3连接板(303)阶梯较高一侧连接在一起，工装3后板(302)下部与工装3连接板(303)阶梯较低一侧连接在一起；所述工装3压板(304)呈倒“凸”字形，放置在工装3前板(301)和工装3后板(302)之间，并位于阶梯较低一层上；所述工装3前板(301)上安装工装3进给螺杆(305)；所述工装3压板(304)在水平面上垂直于进给螺杆方向开设有凹槽、工装3后板(302)在竖直面上垂直于进给螺杆方向也开设有凹槽，用于放置试样。
5.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，单搭接试样制备的装置包括工装4前板(401)、工装4后板(402)、工装4底板(403)、工装4压板(404)和工装4进给螺杆(405)；所述工装4底板(403)为阶梯状，工装4前板(401)底部安装阶梯较高的一端，工装4后板(402)底部安装在阶梯较低的一端；所述工装4压板(404)位于工装4前板(401)和工装4后板(402)之间，并位于阶梯较低一层上；所述工装4前板(401)上安装工装4进给螺杆(405)；所述工装4压板(404)和工装4后板(402)均在水平面垂直于进给螺杆的方向上设计有放置试样及垫片的凹槽，且两侧的凹槽旋转对称。
6.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，所述(2)中，制备胶接试样过程中，通过铺设聚四氟乙烯薄膜来预制裂纹，引导胶接试样的裂纹扩展。
7.根据权利要求6所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，所述(2)中，制备试样时需要在试样上涂抹胶粘剂，由胶层厚度选择胶层控制垫片，其中：制备胶层内聚失效的对接试样时，胶层厚度Tglue1与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue1＝Tshim-Tboss1-Tboss2，其中Tboss1为一端对接试样凸台的高度，Tboss2为另一端对接试样凸台的高度；制备胶层内聚失效的剪切试样时，胶层厚度Tglue2与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue2＝TLoading+Tshim-TBonding1-TBonding2，其中TLoading为试样加载端宽度，TBonding1为一端剪切试样粘接端宽度，TBonding2为另一端剪切试样粘接端宽度；制备十字拉伸试样时，胶层厚度Tglue3与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue3＝Tshim+2*Tgroove-Tsample，其中Tgroove为压板和后板预先所开凹槽深度，Tsample为十字拉伸试样的厚度；制备单搭接试样，时，胶层厚度Tglue4与胶层控制垫片厚度Tshim满足：Tglue4＝Tshim+2*Tgroove-T'sample，其中Tgroove为压板和后板预先所开凹槽深度，T'sample为单搭接试样的厚度。
8.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，所述胶层内聚失效的对接试样进行拉伸、剪切强度试验时，对接试样需配备拉剪共用夹具，拉剪共用夹具上端是与试验机装夹的夹持端，下端的连接端内部设有放置试样的空间，试验时，通过插销将对接试样和拉剪共用夹具装配。
9.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，母材A/B侧界面失效的十字拉伸试样进行拉伸强度试验时，配备T型的试验夹具，夹具上端是与万能拉伸试验机连接的夹持端，下端与试样固定。
10.根据权利要求1所述的异质胶接接头耦合失效行为的损伤初始表征方法，其特征在于，单搭接试样进行拉剪耦合试验时，配备圆弧形的夹具，夹具和试样装配端与试验机轴线形成30°、60°夹角，试样夹持端与夹具装配。
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| Title |
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| 胡朝辉 等: "铝合金焊接结构塑性变形及断裂失效预测方法", 《汽车工程学报》, 31 March 2019 (2019-03-31) * |
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