基于有限元法的高分子材料套接膠接結(jié)構(gòu)的研究與應用*

買雪媛，秦 剛，李 菲，陳 琦，王帆帆，王國鋒，崔景強

（1.河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應用重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453400；2.河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作 454003）

引 言

紫外光固化膠粘接幾乎不會改變原有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及性能，對設(shè)備及工藝的要求較低，生產(chǎn)效率高易于自動化，一些常用的高分子材料如丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）等材質(zhì)都為透明材質(zhì)，均能透過紫外光。因此，采用紫外光固化膠粘接是醫(yī)療器械粘接解決方案中最安全、便捷的途徑[1]。在粘接件中，常見的類型有搭接接頭、對接接頭、斜接接頭及套接接頭[2]，大多數(shù)粘接形式由以上幾種類型單獨或組合構(gòu)成，其中在醫(yī)療器械連接中使用最多的是套接接頭。

在汽車行業(yè)中，邵宇吉等[2]在粘接連接理論研究和力學分析的基礎(chǔ)上，建立內(nèi)聚力及解析模型對膠層失效過程中應力分布規(guī)律進行研究分析并對膠接接頭強度的預測。鄒田春等[3]使用數(shù)字圖像法對單搭接接頭進行拉伸實驗，研究了不同搭接長度下膠接接頭載荷隨位移變化情況，并通過膠接接頭斷裂過程的分析，得出膠接側(cè)面應變的分布及演化規(guī)律。在航天領(lǐng)域的研究中，伍鵬[4]使用矩形粘接結(jié)構(gòu)，研究粘接件的應力應變曲線，其破壞由于粘接界面的脫粘造成，并通過分布反演與算法結(jié)合的方式獲取界面參數(shù)。程凱[5]等對旋翼、膠層及膠接界面三者同時進行損傷模擬的研究，分析接頭破壞過程中剝離應力及剪切應力的變化，同時研究了粘接寬度及厚度對粘接強度的影響。此外，還有研究人員對單搭接接頭膠層間隙、膠粘劑的彈性模量、膠瘤的存在等因素對單搭接接頭強度的影響進行了探究[6～8]。

然而，在以往研究中，研究人員通常在汽車或航天領(lǐng)域使用有限元方法進行粘接件的分析，而且往往研究的是單搭接的接頭，對套接接頭極少有見報道。套接是將一個被粘接件的末端插入另一被粘接件的內(nèi)孔，并在末端重疊區(qū)涂膠進行粘接，如下圖所示。此種接頭受力情況好，膠接面積大，承載能力高，在醫(yī)療器械的小型連接件中使用較多。

圖1 套接接頭形式Fig.1 The socket bonding form

在本文中，首先構(gòu)建套接膠接接頭的有限元模型，然后使用醫(yī)療器械中常用的三通配件與管型配件的粘接件進行仿真模擬，對膠接接頭的破壞形式作出損傷預測。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

紫外光固化膠，醫(yī)用級（牌號CN011），戴馬斯中國有限公司；甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（MABS），醫(yī)用級（牌號POLYLAC PA-758），奇美寶業(yè)有限公司；聚氯乙烯（PVC），醫(yī)用級（牌號8513），深圳恒方大高分子材料科技有限公司。

1.2 試驗儀器

EUT6502 型電子萬能試驗機，深圳三思檢測技術(shù)有限公司；UV-LED（XYUV-4Ⅱ）面光源固化機，深圳市海特奈德光電科技有限公司。

1.3 試驗制備

根據(jù)標準《GB/T 7124-2008 膠粘劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》，設(shè)計制作了MABS 材料的單搭接粘接接頭，尺寸如圖2 所示，被粘物長寬均為25mm×100mm 搭接長度為12.5mm，夾具兩端距離為50mm。

圖2 測試接頭示意圖Fig.2 The schematic diagram of test joint

將試片平放，使用膠刷在預定粘接部位涂膠。粘貼透明膠帶以控制粘接面積，在粘接面上平行于拉伸方向放置2～3 根直徑為0.11mm 的銅線以控制膠層厚度在0.1mm 左右。使用酒精和紗布適當清潔粘接面，涂覆膠粘劑將試片貼合后用燕尾夾固定，先使用點光源固化部分膠層以固定試片，再去掉燕尾夾使用面光源完全固化。

1.4 有限元模型的建立

內(nèi)聚力模型的概念在1960 年由Dugdale 及Barenblatt[9]提出，用以模擬膠粘劑在彈性階段和在達到屈服應力后退化破壞階段的力學性能。借助于ABAQUS 搭建套接接頭內(nèi)聚力有限元模型，膠層的網(wǎng)格單元屬性設(shè)置為Cohesive 內(nèi)聚力單元（COH3D8）[10]，需要特別注意的是要設(shè)定膠層網(wǎng)格單元的堆疊方向，管型配件，三通配件的網(wǎng)格單元屬性設(shè)置為三維八節(jié)點線性減縮積分實體單元（C3D8R）。在三通配件非膠接一側(cè)底端進行結(jié)點固支約束，管型配件夾持端設(shè)立參考點，在參考點均勻施加位移載荷。

在ABAQUS 中導入三通、膠層及管體的CAE模型，使用TIE 約束將三者相連，同時定義膠層元素方向。為避免接觸運算錯誤，將管體及三通粘接部位設(shè)置為硬接觸。最終有限元模型效果如圖3 所示。

圖3 有限元模型效果圖Fig. 3 The effect picture of finite element model

在本研究中，對膠層內(nèi)聚力單元采用了牽引-分離定理，該定理在宏觀上描述了牽引力與位移的關(guān)系，用于描述當牽引力達到最大臨界值后材料的剛度退化和結(jié)構(gòu)失效。ABAQUS 采用的膠合初始損傷判斷準則常用的有最大名義應力準則和二次應力準則。

二次應力準則較為保守，本研究選擇二次應力準則作為失效準則[11]，如式（1）所示。

式中：Gn、Gt、Gs分別表示由法向和兩個切向牽引力做功釋放的能量（N·mm-1）；Gnc、Gtc、Gsc表示對應的斷裂能（N·mm-1）。

由于粘接的兩個配件在拉伸過程中會出現(xiàn)較大位移，在分析步設(shè)置中勾選幾何非線性，分析步的步長較大會使得對失效載荷模擬的準確度降低，因此將最大增量步及初始分析步減小到合適數(shù)值。

1.5 測試及計算

使用制備的單搭接接頭，使用電子萬能試驗機對接頭進行15mm/min 拉伸速度的準靜態(tài)拉伸試驗，如圖4 所示。通過試驗測試獲得膠粘劑拉伸剪切的失效載荷及失效位移，重復3 次取平均值。

將所測得的失效載荷使用經(jīng)驗公式進行計算，得到膠層粘接性能的相關(guān)參數(shù)。在鄒田春等基于DIC 對單搭接接頭進行拉伸實驗，研究不同搭接長度下載荷-位移曲線，研究者所用研究對象的膠層長寬厚為20mm×25mm×0.2mm，通過對斷裂過程及破壞特征變化分析，在20mm 搭接長度及以下的搭接接頭在拉伸過程中彎曲效應不明顯，剝離力相較于受剪切力作用非常小，表明在上述條件下破壞主要由剪切作用所致。而在本實驗中膠層厚度僅有0.1mm，且膠層長度僅為7mm，因此在計算時，僅考慮剪切方向的粘接強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 套接膠接結(jié)構(gòu)粘接受力及失效分析

在結(jié)構(gòu)膠粘接接頭拉伸力學試驗中，當膠層一旦出現(xiàn)損傷及膠層某些地方開始失效后，就會造成應力集中導致整個膠層在短時間內(nèi)完全失效，所以膠層的分離過程很難直接觀察，因此，在實際中難以對粘接接頭的失效進行分析研究。有限元方法為接頭的失效提供了一種研究方法，當膠層的失效狀態(tài)變化時，膠層的SDEG 數(shù)值也會隨之改變，由此可更加清晰直觀地了解到粘接接頭的失效過程[12]。

對SDEG 參數(shù)在拉伸力學實驗中的變化進行監(jiān)測，變化情況如圖5 所示。圖中，接頭的失效情況由不同的顏色較為直觀地表現(xiàn)，淺色代表該部分膠層接近完全失效，深色代表該部分膠層還未開始失效。膠層的端部首先出現(xiàn)失效（SDEG=1），隨著粘接配件相對位移的增加，SDEG=1 的部位由上部到下部逐步推進，完全失效占比的區(qū)域擴大到整個膠層，此時接頭兩個配件完全分離。

圖5 膠層SDEG 參數(shù)顯示情況Fig.5 The SDEG parameters display of adhesive layer

在PVC 管體和三通配件的套接粘接件實例中應用SDEG 參數(shù)對膠層進行詳細分析?？梢詮哪M圖看出，開始時膠層前端先開始損傷，后端損傷程度較輕。隨著損傷進一步加強，前端膠層發(fā)生損傷失效，后端膠層開始損傷，按此規(guī)律逐層遞推，最終膠層全部失效。

2.2 三通配件粘接受力分析及強度預測

先將管體及三通配件進行清洗，徹底去除表面油污雜質(zhì)，隨后將適量膠粘劑涂于管體頂端，緩慢旋轉(zhuǎn)插入后在365nm 波段固化機中完成固化。在標準環(huán)境中調(diào)節(jié)2h 后，使用電子萬能試驗機測試其失效載荷。共進行10 個試樣的測量，平均失效載荷為90.56N。對PVC 管體材料賦予超彈性材料性質(zhì)，在管體前端設(shè)置參考點進行位移加載，最終模擬出的失效載荷為91.48N，模擬準確度達到98.99%，其載荷隨位移變化曲線如圖6 所示。

圖6 載荷-位移曲線對比Fig.6 The comparison of load-displacement curves

從以上對比圖可以看出，仿真模擬失效載荷數(shù)值要稍微高于實際的測試數(shù)據(jù)，可能是由于在實際粘接過程中會出現(xiàn)某些缺陷導致膠層性能未完全發(fā)揮出來。在此載荷-位移曲線圖中，影響位移變化的主要是PVC 管體的變化，而進行模擬時，由于高分子材料力學行為隨溫度及時間變化的依賴性較高，導致測試與實際模擬有一定偏差，使得在該曲線對比圖中模擬載荷與實際測量載荷不能完全一致。

從應力云圖可以看出，當管體開始拉伸時，管體受到較大應力，其次為膠層以及三通配件前端受到較大應力；當膠層開始出現(xiàn)失效后可看到三通配件前端應力開始降低，失效部位所受應力顯著降低，說明在失效后該部分膠層已無法承受載荷，同時可承受載荷的部分主要集中于后端，這從三通中間部位的應力分布情況也可以加以驗證。

將測試樣品實際拉伸過程進行記錄，與軟件模擬進行對比，見圖7。

圖7 軟件模擬與實際測試對比圖Fig.7 The comparison between software simulation and actual test

3 結(jié) 論

基于有限元法對醫(yī)療器械中常用的套接膠接結(jié)構(gòu)即PVC 管體與三通配件的粘接結(jié)構(gòu)進行模擬，得到以下結(jié)論。

（1）通過使用TIE 約束可將三通、膠層及PVC管體相連接，賦予材料性質(zhì)后，可較為真實地模擬出測試件實際拉伸及斷裂的過程。

（2）對模擬參數(shù)SDEG 進行分析，得出膠層開始發(fā)生損傷的位置及其按照逐層演變的方式最終完成整個膠層的損傷失效的結(jié)論。

（3）在ABAQUS 中建模實現(xiàn)了小配件的粘接件模擬，使用牽引力-位移法則的粘接失效預測，其模擬失效形式與實際粘接接頭的失效過程形式一致，同時失效載荷的模擬準確度達到了98.99%。