黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下力學(xué)行為的試驗(yàn)與理論研究

張 軍，王壯壯，李海宇，張夢杰

黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下力學(xué)行為的試驗(yàn)與理論研究

張 軍，王壯壯，李海宇，張夢杰

(鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，鄭州 450001)

在應(yīng)變控制的試驗(yàn)條件下，對圓柱形中空對接試件進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載的試驗(yàn)，分析了平均剪應(yīng)變和剪應(yīng)變幅值對黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛和軟化的影響．試驗(yàn)結(jié)果表明：在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下，黏接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線形狀為下凹形，說明該黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下黏接界面的變形較小，且黏接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化情況．松弛應(yīng)力在初始階段下降較快，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸穩(wěn)定．循環(huán)軟化在循環(huán)加載的初始幾圈較為嚴(yán)重，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加而減弱．平均剪應(yīng)變與剪應(yīng)變幅值的增大都會(huì)導(dǎo)致黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛與循環(huán)軟化加劇．此外，通過此黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下的力學(xué)行為試驗(yàn)分析，本文提出了一個(gè)可描述黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下力學(xué)響應(yīng)的非線性黏-彈性循環(huán)模型，考慮了扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛及循環(huán)軟化的變化規(guī)律，以及平均剪應(yīng)變與剪應(yīng)變幅值對其力學(xué)響應(yīng)的影響．通過模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線對比，可以看出模型計(jì)算的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)循環(huán)曲線與試驗(yàn)曲線重合度較好，證明該模型可以較好地描述黏接結(jié)構(gòu)在不同循環(huán)載荷條件下的力學(xué)行為．此研究結(jié)果可為黏接結(jié)構(gòu)及相關(guān)復(fù)合材料疲勞損傷的預(yù)測與評價(jià)提供試驗(yàn)和理論支持．

黏接結(jié)構(gòu)；扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷；非線性；黏-彈性模型

黏接結(jié)構(gòu)是用黏接材料把金屬或非金屬材料連接在一起，組成工程構(gòu)件，并使其承受載荷．因其具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、密封性及耐腐蝕性良好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和電子封裝等領(lǐng)域[1-6]．在實(shí)際應(yīng)用中，由于黏接結(jié)構(gòu)常承受循環(huán)載荷作用，通常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛和軟化現(xiàn)象，使其疲勞強(qiáng)度下降，造成黏接結(jié)構(gòu)疲勞失效[7-10]．因此，為了使黏接結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中安全可靠，對其進(jìn)行循環(huán)加載的試驗(yàn)和理論研究具有重要意義．

黏接結(jié)構(gòu)根據(jù)其黏接形式的不同被分為對接結(jié)構(gòu)、搭接結(jié)構(gòu)與雙臂梁結(jié)構(gòu)等．這些黏接結(jié)構(gòu)在其疲勞斷裂過程，會(huì)受到剪切力與拉伸力共同作用，但很少有試驗(yàn)和理論研究黏接結(jié)構(gòu)在剪切應(yīng)力作用下對其疲勞損傷的影響．與其他黏接結(jié)構(gòu)相比，對接黏接結(jié)構(gòu)更適合單獨(dú)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)與拉伸的力學(xué)疲勞測試，以及混合加載疲勞試驗(yàn)[7]．對接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)加載荷過程中，剪應(yīng)力在截面上的分布是非均布的，剪應(yīng)力隨半徑增加而增大[11]．采用中空的對接黏接結(jié)構(gòu)，可以準(zhǔn)確計(jì)算剪切應(yīng)力的大小與分布．近年來，為了更好地研究黏接材料與黏接結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的疲勞失效機(jī)理，許多研究人員[12-17]對其疲勞力學(xué)行為進(jìn)行了研究．Lamberti等[18]對不同膠黏劑厚度的黏接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)測試．結(jié)果表明，膠黏劑厚度對黏接接頭的強(qiáng)度、剛度及初始損傷參數(shù)有顯著影響．Canyurt 等[19]對環(huán)氧樹脂黏接的舌槽接頭進(jìn)行了軸向循環(huán)試驗(yàn)，研究了黏接線長度、黏接厚度、黏接線自由邊緣橫向預(yù)應(yīng)力和連接部位材料等多種因素的影響. Zhou等[20]對含有納米二氧化硅黏接接頭進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)與循環(huán)載荷試驗(yàn)，與純環(huán)氧樹脂黏接接頭的疲勞性能進(jìn)行了對比．Vahidifar等[21]研究了非對稱應(yīng)力循環(huán)下尼龍纖維增強(qiáng)天然橡膠與丁苯橡膠復(fù)合材料的棘輪效應(yīng)．結(jié)果表明，棘輪應(yīng)變的積累速率在前幾個(gè)循環(huán)中較高，隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸衰減. Oguma等[22]對單搭接接頭進(jìn)行了不同應(yīng)力比的疲勞試驗(yàn)，研究了應(yīng)力比對黏接結(jié)構(gòu)疲勞機(jī)制的影響．

在理論分析方面，很多學(xué)者[23-24]采用內(nèi)聚力模型來分析黏接結(jié)構(gòu)的斷裂失效．雖然，內(nèi)聚力模型可以簡單描述黏接結(jié)構(gòu)的拉伸斷裂失效，卻不能很好地描述黏接結(jié)構(gòu)的疲勞失效．而且，黏接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能由被黏物、黏接界面與黏接材料共同作用，因而在分析黏接結(jié)構(gòu)的疲勞失效時(shí)，應(yīng)該共同考慮被黏物、黏接界面和黏接材料共同的影響．

黏接材料一般為高分子材料，其力學(xué)行為表現(xiàn)為非線性黏-彈性，而且溫度與濕度對黏接劑的黏接性能影響較大[25-26]．許多學(xué)者針對高分子材料提出相應(yīng)的本構(gòu)模型．這些本構(gòu)模型一般可分為3類：①基于唯象學(xué)的微分形式模型[27-28]，最早由Kelvin與Maxwell提出，將高分子材料看成線性彈簧與非線性黏壺的串聯(lián)或并聯(lián)機(jī)械單元，用來模擬高分子材料的力學(xué)響應(yīng)；②基于熱力學(xué)積分形式模型[29-30]，在非平衡的熱力學(xué)理論基礎(chǔ)上提出高分子材料的非線性本構(gòu)關(guān)系；③基于連續(xù)介質(zhì)理論的積分形式模型[31-33]，把高分子材料瞬態(tài)可逆分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為連續(xù)自由體，以此構(gòu)建的積分形式的黏-彈性本構(gòu)模型．

雖然許多學(xué)者針對黏接結(jié)構(gòu)提出了內(nèi)聚力模型以及高分子材料的本構(gòu)模型，但對于描述黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下力學(xué)行為的模型很少．而且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的力學(xué)響應(yīng)與拉伸測試有較大不同[11]．因此，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的力學(xué)行為，建立黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)循環(huán)模型非常有價(jià)值．

本文采用HP-172B硅烷改性聚氨酯密封膠，對其黏接的圓柱型中空對接試件進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載試驗(yàn)，分析了平均剪切應(yīng)變與剪切應(yīng)變幅值對其循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的影響．根據(jù)黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)循環(huán)試驗(yàn)觀察，提出了非線性黏-彈性循環(huán)模型，模型體現(xiàn)了剪切循環(huán)松弛應(yīng)力和循環(huán)軟化的變化規(guī)律．用此模型對黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證模型模擬的準(zhǔn)確性.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 黏接試件的制作

黏接試件采用鋁合金6061-T6為被黏材料．膠黏劑采用HP-172B硅烷改性聚氨酯密封膠，由鄭州華普密封材料有限公司生產(chǎn)制造．HP-172B為單組分膠，結(jié)構(gòu)中含有硅氧鍵(Si—O鍵)，具有優(yōu)異的耐潮濕性、耐磨性、良好的伸縮恢復(fù)性和透氣性等．對金屬、鍍膜玻璃和混凝土等建筑材料無腐蝕性．材料固化后的性能參數(shù)如表1所示．

表1 HP-172B密封膠固化后的物理性能

Tab.1 Physical properties of HP-172B sealant after curing

按照美國標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(American Society of Testing Materials，ASTM)D2095-96標(biāo)準(zhǔn)，制備了圓柱形中空對接試件．試件的結(jié)構(gòu)尺寸和試件測試如圖1所示．為了確保黏接試件的同軸度和黏接厚度，設(shè)計(jì)了試件制備模具，詳細(xì)試件制備過程和模具結(jié)構(gòu)請參見文獻(xiàn)[7]．

（a）黏接結(jié)構(gòu)示意

（b）試驗(yàn)中的試件

圖1 對接試件

Fig.1 Buttjoint specimen

1.2 試驗(yàn)條件

非對稱扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載試驗(yàn)方案如下．

試驗(yàn)的加載時(shí)間間隔為0.25s，試驗(yàn)的循環(huán)周期為4s，循環(huán)圈數(shù)為100．具體試驗(yàn)方案如表2所示．

表2 不同剪應(yīng)變幅值和平均剪應(yīng)變的循環(huán)加載試驗(yàn)方案

Tab.2 Shear strain amplitudes and mean shear strains adopted for cyclic loading tests

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果

為分析試件在非對稱扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的特點(diǎn)，選用一個(gè)典型加載條件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：平均剪應(yīng)變?yōu)?9.5%，剪應(yīng)變幅值為16.5%，循環(huán)周期為4s．試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示．為清楚起見，圖2中給出了前10圈、第50圈和第100圈的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)曲線．圖2(a)可以看出，黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下，其應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線加載和卸載都呈現(xiàn)凹陷形狀．這與試件在拉伸循環(huán)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線的先凸后凹形狀不同[7]，扭轉(zhuǎn)循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線與黏接材料的拉伸循環(huán)載荷下的曲線形狀相似[34]．由此可以推測，試件在扭轉(zhuǎn)載荷下黏接材料的變形占主導(dǎo)地位，而黏接界面的變形相對較弱．試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，循環(huán)曲線的峰值應(yīng)力在逐漸降低，曲線的斜率也隨之下降．說明此黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛與軟化的現(xiàn)象.為了更詳細(xì)地分析試驗(yàn)現(xiàn)象，采用扭轉(zhuǎn)循環(huán)松弛應(yīng)力的變化來分析試件的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象.扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力定義為

圖2(b)為試件在扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載過程中其扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力變化情況．由圖可知，在非對稱扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下，試件的扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力在初始循環(huán)階段下降較快，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力下降速度減緩．

（a）剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)

（b）扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力

圖2 對接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的試驗(yàn)結(jié)果

Fig.2 Test results of the butt structure under cyclic tor-sional loading

2.2 平均剪應(yīng)變的影響

在不同的平均剪應(yīng)變加載情況下，對試件進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，剪應(yīng)變幅值為16.5%，循環(huán)周期為4s，結(jié)果如圖3所示．

（a）剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)

（b）扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力

圖3 平均剪應(yīng)變對試件扭轉(zhuǎn)循環(huán)的影響

Fig.3 Effect of mean shear strain on the torsional cycle of the specimens

圖3(a)為不同平均剪應(yīng)變下的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)曲線．可見，在扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載條件下，平均剪應(yīng)變的改變對應(yīng)力-應(yīng)變曲線有一定的影響．平均剪應(yīng)變的增大，使其循環(huán)曲線最大應(yīng)力和最小應(yīng)力都有隨之增大，平均剪應(yīng)變?yōu)?1.5%，其應(yīng)力響應(yīng)更為明顯.圖3(b)展示了平均剪應(yīng)變的改變對試件其扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力的影響．可以看出，隨著平均剪應(yīng)變的增加，試件的扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力變得嚴(yán)重．而且，在最大平均剪應(yīng)變時(shí)，扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力變化很明顯．平均剪應(yīng)變變化 對試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率的影響，如圖3(c)所示．圖中發(fā)現(xiàn)，曲線斜率隨著平均剪應(yīng)變的增加而增加，說明平均剪應(yīng)變的增加會(huì)加劇黏接試件循環(huán)軟化顯現(xiàn)．

從以上分析可以總結(jié)出，在扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載情況下，平均剪應(yīng)變的增大會(huì)增加試件的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化情況，可導(dǎo)致試件黏接強(qiáng)度下降，加劇其疲勞損傷．

2.3 剪應(yīng)變幅值的影響

在不同剪應(yīng)變幅值下，對試件進(jìn)行循環(huán)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，平均剪應(yīng)變?yōu)?9.5%，循環(huán)周期為4s，結(jié)果如圖4所示．

（a）剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)

（b）扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力

（c）斜率

圖4 剪應(yīng)變幅值對試件扭轉(zhuǎn)循環(huán)的影響

Fig.4 Effect of shear strain amplitude on the torsional cycle of the specimens

圖4(a)為不同剪應(yīng)變幅值下試件剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)曲線．可以看出，隨著剪應(yīng)變幅值的變化，循環(huán)曲線的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力響應(yīng)隨之變化，曲線的彎曲度也隨之增加．圖4(b)顯示了剪應(yīng)變幅值對試件扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力的影響．隨著剪應(yīng)變幅值的增加，試件的扭轉(zhuǎn)松弛應(yīng)力變化速度增加．剪應(yīng)變幅值對試件循環(huán)過程中斜率的影響，如圖4(c)所示．斜率隨著剪應(yīng)變幅值的增加而增加．說明剪應(yīng)變幅值的增加會(huì)加劇黏接試件循環(huán)軟化情況．同樣，剪應(yīng)變幅值的 增大也會(huì)加劇試件的扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化情況．

3 非線性黏-彈性本構(gòu)模型

在描述高分子材料的黏-彈性本構(gòu)模型中，基于連續(xù)介質(zhì)理論的本構(gòu)模型[33]，通過分析非結(jié)晶或半結(jié)晶的高分子材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，及其在外部載荷下分子鏈變形行為，建立了活性分子鏈分布函數(shù)及其分離函數(shù)，及其耗散能變化情況．再把高分子材料看作各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，提出了高分子材料內(nèi)部耗散能與外部施加載荷的關(guān)系，描述高分子材料在外載荷作用下的黏-彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系．其表達(dá)式為

3.1 黏-彈性本構(gòu)模型的建立

對接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載過程中，被黏物、黏接界面和黏接材料同時(shí)受到剪應(yīng)力的作用，其剪應(yīng)力為

剪應(yīng)變?yōu)?/p>

試驗(yàn)測試表明，被黏物在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變下變形很小(占變形的0.85%)，可以忽略不計(jì)．因此，本研究對接結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)變可表示為

為準(zhǔn)確描述此黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷的作用下力學(xué)行為，在式(5)的基礎(chǔ)上，提出了對接結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷下的計(jì)算模型，即

3.2 參數(shù)與函數(shù)的獲得

3.2.1 參數(shù)、與的獲得

對于恒定扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的松弛試驗(yàn)，其應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系[33]為

圖5 不同恒定剪應(yīng)變下的扭轉(zhuǎn)松弛試驗(yàn)

圖6 松弛速率函數(shù)的參數(shù)確定

表3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中的材料常數(shù)

Tab.3 Material constants in the stress-strain relations

圖7 柔化變量函數(shù)的參數(shù)確定

表4 不同加載條件下柔化變量函數(shù)參數(shù)

Tab.4 Parameters of the softening rate function under different loading conditions

圖8 應(yīng)力松弛累積函數(shù)與循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系

表5 不同加載條件下應(yīng)力松弛累積函數(shù)參數(shù)

Tab.5 Parameters of the stress relaxation accumulation function under different loading conditions

4 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比

利用獲取的參數(shù)和函數(shù)關(guān)系，采用應(yīng)變控制的方式，選取加載時(shí)間間隔為0.01s，利用提出的模型對黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)下進(jìn)行計(jì)算．圖9給出了試件在不同平均剪應(yīng)變下的循環(huán)加載的第1圈、第10圈和第100圈的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)曲線對比.由圖9可以看出，模型計(jì)算得出的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線重合度較高，這表示該模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)下的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)，也很好地描述了黏接結(jié)構(gòu)的循環(huán)軟化與應(yīng)力松弛現(xiàn)象.

模型的不足之處在于：隨著平均剪應(yīng)變的增大，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線之間的誤差也隨之增大．原因是因模型中的循環(huán)軟化函數(shù)不夠合理，以后需進(jìn)一步完善．

圖10給出了不同剪應(yīng)變幅值下，循環(huán)加載試驗(yàn)的第1圈、第10圈和第100圈的模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的對比．可見，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線吻合得較好，說明該本構(gòu)模型可以較為準(zhǔn)確地模擬剪應(yīng)變幅值的影響．同樣，理論模型計(jì)算結(jié)果的最大誤差發(fā)生在剪應(yīng)變幅值最大的曲線，原因同上．

圖9 平均剪應(yīng)變變化下模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

圖10 剪應(yīng)變幅值變化下模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

5 結(jié) 語

本文試驗(yàn)和理論研究了圓柱形中空對接試件扭轉(zhuǎn)循環(huán)加載的力學(xué)行為，并分析了平均剪應(yīng)變和剪切應(yīng)變幅值的影響．試驗(yàn)結(jié)果表明，該黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷作用下的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)曲線呈現(xiàn)下凹形狀，并出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化現(xiàn)象．平均剪應(yīng)變與剪應(yīng)變幅值的增大會(huì)加劇黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)循環(huán)的應(yīng)力松弛與循環(huán)軟化．此外，通過黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)循環(huán)試驗(yàn)的分析，提出一個(gè)新的非線性黏-彈性模型．該模型不但可以描述其剪應(yīng)力-剪應(yīng)變響應(yīng)曲線，而且還考慮了剪切循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化的變化規(guī)律．通過模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線對比發(fā)現(xiàn)，該模型可以很好地描述該黏接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線的變化，并體現(xiàn)出平均剪應(yīng)變與剪應(yīng)變幅值對其剪切循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化的影響.此研究結(jié)果可為黏接結(jié)構(gòu)及相關(guān)復(fù)合材料的疲勞損傷的準(zhǔn)確預(yù)測與評價(jià)提供實(shí)驗(yàn)和理論支持.

［1］ Gudladt H J，F(xiàn)rmmel S. Fatigue and fracture behavior of adhesive-bonded structures in the light of the surface morphology[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives，2018，88：74-80.

［2］ Verna E，Cannavaro I，Brunella V，et al. Adhesive joining technologies activated by electro-magnetic external trims[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives，2013，46(10)：21-25.

［3］ 李 慧，張 軍，李海宇，等. 對接黏接結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)疲勞損傷行為研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2019，52(8)：836-842.

Li Hui，Zhang Jun，Li Haiyu，et al. Investigation on fatigue failure behaviors of adhesively bonded butt-joints under cyclic torsion deformation[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2019，52(8)：836-824(in Chinese).

［4］ Michaela K，Jiri S，Pavel S，et al. Adhesive bonding technology at car-body structure—Application of new coating with layer Zn/Mg[J]. Materials Science Forum，2015，818：23-26.

［5］ Kim S C，Kim Y H. Review paper：Flip chip bonding with anisotropic conductive film(ACF)and nonconductive adhesive(NCA)[J]. Current Applied Physics，2013，13：14-25.

［6］ Tsurumi N，Tsuji Y，Baba T，et al. Comparative study of the ideal and actual adhesion interfaces of the die bonding structure using conductive adhesives[J]. Journal of Adhesion，2020，98(1)：24-48.

［7］ Zhang J，Li H Y，Jia H，et al. Experimental investiga-tion on multiaxial ratchetting behaviour and fatigue life of silicone seal adhesive bonding butt-joints[J]. Interna-tional Journal of Adhesion and Adhesives，2020，103：102700.

［8］ Olajide S O. Progress on investigation on damage analy-sis in bonded polymer composites under fatigue[J]. International Journal of Fatigue，2017，96：224-236.

［9］ Kaluza M，Hulimka J. Methacrylate adhesives to create CFRP laminate-steel joints—Preliminary static and fatigue tests[J]. Procedia Engineering，2017，172：489-496.

［10］ Yuan J J，Cheng L I，Ying T，et al. Simulation and experiment on the failure mechanism of adhesive bond-ing repair in composite[J]. Fiber Reinforced Plas-tics/Composites，2018，5：19-24.

［11］ Zhang J，Li H Y，Li H，et al. Investigation on the uniaxial ratchetting and fatigue failure behaviors of sili-cone seal adhesive bonding butt-joints under tensile and torsional cyclic loading[J]. International Journal of Ad-hesion and Adhesives，2020，99：102588.

［12］ Altan G，Topcu M. Callioglu H. The effects of the butterfly joints on failure loads and fatigue performance of composite structures[J]. Science & Engineering of Composite Materials，2010，17(3)：199-212.

［13］ 李 慧，張 軍，李海宇，等. 環(huán)氧樹脂膠黏接的對接結(jié)構(gòu)多軸疲勞壽命預(yù)測[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2020，53(1)：79-86.

Li Hui，Zhang Jun，Li Haiyu，et al. Multi-axis fatigue life prediction of epoxy resin bonded butt structure[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2020，53(1)：79-86(in Chinese).

［14］ Shokrian M D，Shelesh-Nezhad K，Najjar R. Effect of CNT dispersion methods on the strength and fracture mechanism of interface in epoxy adhesive/Al joints[J]. Journal of Adhesion Science & Technology，2019，33(13)：1394-1409.

［15］ Joji babu P，Zhang Y X，Rider A N，et al. Mechanical performance of adhesive joints using high-performance nanocomposite adhesive material with carbon nanotube and triblock co-polymer hybrids[J]. Composites Part B：Engineering，2020，186：107813.

［16］ Gao L，Gao H，Chen X. Recent advances in mechanical properties of anisotropic conductive adhesive film for microelectronic packaging[J]. Soldering & Surface Mount Technology，2015，27(4)：164-177.

［17］ Lissner M，Erice B，Alabort E，et al. Multi-material adhesively bonded structures：Characterisation and modelling of their rate-dependent performance[J]. Com-posites Part B：Engineering，2020，195：108077.

［18］ Lamberti M，Maurel A，Lebon F，et al. Cyclic behaviour modelling of GFRP adhesive connections by an imperfect soft interface model with damage evolution[J]. Composite Structures，2022，279：114741.

［19］ Canyurt O E，Meran C. Fatigue strength estimation of adhesively bonded tongue and groove joint of thick woven composite sandwich structures using genetic algo-rithm approach[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives，2012，33：80-88.

［20］ Zhou H，Liu H Y，Zhou H，et al. On adhesive properties of nano-silica/epoxy bonded single-lap joints[J]. Materials and Design，2016，95：212-218.

［21］ Vahidifar A，Esmizadeh E，Naderi G，et al. Ratcheting response of nylon fiber reinforced natural rubber/styrene butadiene rubber composites under uniaxial stress cycles：Experimental studies[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2017，41(2)：348-357.

［22］ Oguma H，Naito K. Effect of stress ratio on the fatigue fracture mechanism of adhesive single-lap joints：In case of GF/PP plates and an acrylic-based structural adhesive[J]. Procedia Structural Integrity，2019，19：224-230.

［23］ Li Chuanxi，Ke Lu，He Jun，et al. Effects of mechanical properties of adhesive and CFRP on the bond behavior in CFRP-strengthened steel structures[J]. Composite Structures，2019，211：163-174.

［24］ Maurel A，Lamberti M，Raffa M L，et al. Modelling of a GFRP adhesive connection by an imperfect soft in-terface model with initial damage[J]. Composite Struc-tures，2020，239：112034.

［25］ Dai T，Dai H L. Hygrothermal behavior of a CFRR-metal adhesively bonded joint with coupled transfer of heat and moisture through the thickness[J]. Composite Structures，2016，152：947-958.

［26］ Dai T，Yang Y，Dai H L. Interfacial stress analysis of a CFRR-metal adhesively bonded joint with/without defect under hygrothermal environment[J]. Applied Mathematical Modelling，2019，67：357-377.

［27］ Bidaud P，Creac’hcadec R，Thevenet D，et al. A prediction method of the behavior of adhesively bonded structures under cyclic shear loading based on a characterization of the viscous aspects of the adhesive in an assembly[J]. Journal of Adhesion，2014，91(9)：701-724.

［28］ Xia Z，Shen X，Ellyin F. Biaxial cyclic deformation of an epoxy resin：Experiments and constitutive modeling[J]. Journal of Materials Science，2005，40(3)：643-654.

［29］ Tscharnuter D，Jerabek M，Major Z，et al. Uniaxial nonlinear viscoelastic viscoplastic modeling of polypro-pylene[J]. Mechanics of Time-Dependent Materials，2012，16(3)：275-286.

［30］ Xu J，Chen X，Wang H，et al. Thermo-damage-viscoelastic constitutive model of HTPB composite pro-pellant[J]. International Journal of Solids & Structures，2014，51(18)：3209-3217.

［31］ Drozdov A D. A constitutive model in thermoviscoelasticity[J]. Mechanics Research Communications，1996，23(5)：543-548.

［32］ Drozdov A D. Constitutive model for cyclic deformation of perfluoroelastomers[J]. Mechanics of Time-Dependent Materials，2009，13(3)：275-299.

［33］ Drozdov A D. Cyclic viscoelastoplasticity and low-cycle fatigue of polymer composites[J]. International Journal of Solids & Structures，2011，48(13)：2026-2040.

［34］ Zhang J，Zhang M J，Zhang X，et al. Experimental and theoretical investigation on mechanical behaviors of TB991 weld sealant under cyclic loading[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2023，46(1)：125-136.

Testing and Theoretical Investigation of the Mechanical Behavior of Adhesively Bonded Butt Joints Under Cyclic Torsional Loading

Zhang Jun，Wang Zhuangzhuang，Li Haiyu，Zhang Mengjie

(School of Mechanical and Power Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

Cyclic torsional loading tests were conducted on adhesively bonded tubular butt joints in a strain-controlled mode，and the effects of shear strain amplitude and mean shear strain on their cyclic torsional stress relaxation and cyclic softening were investigated. The stress-strain curves of the butt joints exhibited a concave shape under cyclic loading，indicating a small deformation of the bonding interface and the occurrence of cyclic stress relaxation and cyclic softening. Cyclic relaxation stress decreased rapidly at the initial stage but became stable when the number of cycles increased. Cyclic softening was also more pronounced in the initial few cycles of cyclic loading and decreased with an increase in the number of cycles. Moreover，the increase in the mean shear strain and shear strain amplitude intensified cyclic stress relaxation and cyclic softening. According to the test observations，a nonlinear viscoelastic model was established to predict the mechanical behavior of bonded butt joints under cyclic torsional loading. This model can consider not only the cyclic stress relaxation and cyclic softening of the joints，but also the effects of mean shear strain and shear strain amplitude on its mechanical response. The stress-strain curves calculated by the model exhibited a good coincidence degree with the test results，demonstrating that the proposed model can well describe the mechanical behavior of bonded butt joints under different cyclic loading conditions. The research results can provide experimental and theoretical support for the prediction and evaluation of fatigue damage in adhesively bonded butt joints and related composites.

adhesively bonded butt joint；cyclic torsional loading；nonlinearity；viscoelastic model

TQ436.9

A

0493-2137(2024)02-0113-10

10.11784/tdxbz202212027

2022-12-27；

2023-03-20.

張 軍（1967— ），男，博士，教授，Zhang_jun@zzu.edu.cn.

王壯壯，1085587357@qq.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10972200，50805147)；河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(182300410175).

the National Natural Science Foundation of China(No.10972200，No.50805147)，the Natural Science Foundation of Henan Province，China(No.182300410175)．

(責(zé)任編輯：王曉燕)