一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法与流程

本发明涉及粘接结构力学性能测试领域，更具体的是，本发明涉及一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法。
背景技术：
：随着复合材料等轻量化材料在车身上应用的日趋广泛，粘接技术以其应力分布均匀、质量轻、强度高等优势得到了越来越多的应用，但是由于对粘接结构力学性能认识的不充分，使得粘接剂在许多关键结构中的应用受到了限制。粘接区域作为粘接结构承载的薄弱环节，能否实现对其强度的准确认识是利用轻质材料实现车身轻量化的关键。为了能够使粘接结构的强度更好的满足工程产品的使用要求，在粘接结构投入应用之前，首先需要通过制作粘接试件对粘接结构的力学性能进行实验测试。传统测试金属材料力学性能的方法是通过拉伸试验机得到试件的断裂失效载荷，断裂失效载荷除以试件的横断面面积得到试件的断裂失效应力，该方法测试金属材料的力学性能是适用的，金属材料在拉伸过程中受单一应力状态的作用。然而粘接试件拉伸试验中也只能获得沿试件拉伸方向的断裂失效载荷，利用断裂失效载荷除以粘接面积获得的名义应力则默认破坏是由单一应力所决定的。但当粘接基材与粘接剂的相对刚度存在差异时，粘接试件在承载的过程中，发现胶层应力不是受单一应力的作用，还受其他应力的影响，因此粘接试件的破坏是由多个应力共同作用的结果。并且由于粘接试件四周存在四个自由边界，在拉伸实验时发现自由边界对粘接试件影响明显。而实际应用中粘接结构是大面积粘接，自由边界问题影响很小，说明粘接试件跟实际粘接结构的受力特点是不一样的，粘接试件实际受复杂应力状态的影响。同时通过查阅文献认为胶层厚度对粘接试件的断裂失效应力有影响，胶层越厚断裂失效应力越低，而胶层越薄断裂失效应力越高。然而理论上当固定粘接剂和基材的材料类型后，粘接断裂失效应力作为粘接失效的评价准则，不应该随着粘接厚度的变化而变化，之所以会获得不同的断裂失效应力值，很有可能是粘接厚度影响了胶层上各项应力的分布，导致了引起胶层最终发生破坏的应力发生了变化，从而使得厚度大的粘接试件在较小的断裂失效应力时就发生了破坏。由于现有的粘接试件强度测试方法的限制，导致实验测试结果不能真实地反映粘接结构的实际强度，因此我们需要在现有的测试方法的基础上，对粘接试件强度实验方法进行改进研究，找到一种更加准确实用的粘接试件断裂失效应力测试方法。技术实现要素：本发明设计开发了改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，能够确定粘接对接接头的初始失效应力并确定断裂等效应力，并通过断裂等效应力作用粘结结构，更贴近真实失效过程，提高粘接结构断裂失效分析过程的准确性。本发明提供的技术方案为：一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，包括：步骤1：对n个不同胶层厚度的粘接对接接头进行准静态拉伸试验，获得所述n个粘接对接接头的初始断裂失效载荷与初始断裂失效点；步骤2：建立与试验尺寸相同的不同胶层厚度的粘接对接接头的有限元模型，将所述初始失效载荷施加到有限元模型中，且施加位置与所述准静态拉伸试验对应，获得与所述初始断裂失效点对应的单元的断裂失效应力；其中，所述断裂失效应力包括三个主应力的分量σ1,σ2,σ3；步骤3：根据所述断裂失效应力获取不同胶层厚度的粘接对接接头在复杂应力状态下的断裂等效应力：其中，j3＝(σ1-σm)×(σ2-σm)×(σ3-σm)；式中，σeq为断裂等效应力，σm为应力球张量，j2为偏应力张量第三不变量；j2为偏应力张量第二不变量。优选的是，还包括：步骤4：根据获得的n个不同胶层厚度的粘接对接接头的断裂等效应力值的离散度，对所述断裂等效应力值进行统计学处理；当所述断裂等效应力值的方差小于等于0.1时，则获取所述断裂等效应力的平均值作为所述粘接对接接头的断裂等效应力值；当所述断裂等效应力值的方差大于0.1时，则剔除差异较大的断裂等效应力值，并补充对应数量的试验，直至所述断裂等效应力值的方差小于等于0.1，获取对应所述断裂等效应力的平均值作为所述粘接对接接头的断裂等效应力值。优选的是，在复杂应力状态下，通过线性组合法获得断裂等效应力。优选的是，所述粘接对接接头的初始断裂失效载荷为所述粘接对接接头的胶层开始出现开裂时的载荷。优选的是，在所述步骤2中，建立有限元模型的胶层和胶粘基材共节点，并采用实体单元c3d8r，其中，c为实体单元，3d为三维，8为所述实体单元具有的节点数目，r为所述实体单元是缩减积分单元。优选的是，在所述步骤1中，通过光学扫描仪观察胶层断裂过程。优选的是，所述粘接对接接头的胶层厚度为1mm、2mm和3mm。优选的是，所述胶层厚度的粘接对接接头的制备包括：采用80#～90#的砂纸沿两个固定方向交叉打磨铝合金胶粘基材；采用酒精对铝合金胶粘基材沿着固定方向擦拭干净并晾置10～12min；对胶粘表面擦拭清洁剂和活化剂并晾置15～17min；对胶粘表面擦拭底涂剂并晾置30～35min；将胶粘剂涂在胶粘面上，并对接头进行胶粘；在试验环境下固化4～5周。本发明所述的有益效果：1、针对粘接基材与粘接剂的相对刚度存在差异时，粘接试件在承载过程中，胶层内部应力成分不是单一应力，而是受复杂应力状态的影响的问题，本发明提供一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，通过有限元模型仿真与实验相结合的方法，分析粘接试件的应力分布状态，提出了粘接试件断裂失效应力测试方法的改进措施。本发明结合复杂应力状态，引入了断裂等效应力计算粘接试件的断裂失效应力，得到更加真实地断裂失效应力，解决了现有实验方法不能真实反映粘接试件断裂失效应力的问题。2、由于胶层厚度对粘接试件的断裂失效应力有影响，胶层越厚断裂失效应力越低，而胶层越薄断裂失效应力越高。理论上确定粘接剂和基材的材料类型后，粘接断裂失效应力作为粘接失效的评价准则，不应该随着粘接厚度的变化而变化。本发明提出一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，该方法引入断裂等效应力的断裂失效应力测试方法对现有粘接实验方法进行改进，对不同胶层厚度粘接试件的应力状态进行分析，并针对胶层厚度对粘接试件断裂失效应力的影响进行研究，分析胶层厚度对粘接试件断裂失效应力的影响，发现胶层厚度对断裂失效应力影响很小，进一步验证了胶层厚度对断裂失效应力几乎没有影响，而是胶层厚度影响了胶层的应力分布。3、本专利提供一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，该方法针对某种确定的粘接剂和基材类型，可任选取一种胶层厚度的粘接试件，通过拉伸实验获得断裂失效载荷值，之后将断裂失效载荷施加到有限元仿真模型上计算其断裂等效应力值，将断裂等效应力值作为该种类型粘接试件的断裂失效应力值。后续进行相同类型粘接基材和粘接剂组成的粘接结构的仿真分析时，将断裂等效应力作为断裂失效应力通过子程序嵌入到有限元软件中进行计算，基于断裂等效应力来判断粘接结构的失效。通过本方法可以对粘接结构进行复杂应力状态下的强度校核，大大的缩短实验所需的周期，具有一定的工程指导意义。附图说明图1为本发明所述在不同拉剪比接头下的拟合曲线图。图2为本发明所述在不同拉剪比接头下的拟合曲线图。图3为本发明所述在不同拉剪比接头下的拟合曲线图。图4为本发明所述在不同拉剪比接头下的拟合曲线图。图5为本发明所述对接接头胶层应力云图。图6为本发明实施例所述粘接试件几何形状示意图。图7为本发明实施例所述粘接试件几何形状示意图。图8为本发明实施例所述粘接试件几何形状示意图。图9为本发明实施例所述粘接试件工装夹具示意图。图10为本发明实施例所述粘接试件有限元模型示意图。图11为本发明实施例所述仿真模型边界约束条件示意图。图12为本发明实施例所述仿真中胶层失效过程示意图。图13为本发明实施例所述仿真中胶层失效过程示意图。图14为本发明实施例所述仿真中胶层失效过程示意图。图15为本发明实施例所述仿真中胶层失效过程示意图。图16为本发明实施例所述仿真中胶层失效过程示意图。图17为本发明实施例所述仿真中胶层失效过程示意图。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。本发明提供一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，包括：步骤1：针对某种确定的粘接基材和粘接剂类型，测试基材和粘接剂的粘接性能。首先严格按照粘接工艺，通过粘接夹具制作n个粘接试件，粘接试件固化结束后切除余胶。步骤2：通过光学测量仪，分别对n个粘接试件的胶层厚度进行三维光学扫描，精确测量得到每个粘接试件的胶层厚度。步骤3：通过拉伸试验机，分别对n个粘接试件进行准静态拉伸试验，拉伸试验过程中通过光学扫描仪观察胶层开裂情况和整个开裂过程，当胶层开始出现裂纹后，以粘接试件胶层开始出现开裂时的载荷作为粘接试件的断裂失效载荷，得到对应每种胶层厚度的粘接试件的断裂失效载荷值。步骤4：通过有限元分析软件，对应建立与步骤2中粘接试件相同胶层厚度的有限元分析模型，对粘接基材和胶层的单元网格进行细分，均采用实体单元进行定义，粘接基材与胶层之间的粘接面采用共节点处理，并对有限元分析模型施加边界约束条件，选用非线性求解准静态问题。将准静态拉伸试验得到的断裂失效载荷值，分别作为边界条件施加到对应的有限元分析模型上进行计算。步骤5：待粘接试件有限元分析结束后查看分析结果，根据有限元计算结果，对计算分析后的有限元模型中粘接胶层所有单元上的应力计算数据进行提取；步骤6：定义偏应力张量中的第三不变量和第二不变量的比值为断裂等效应力，引入断裂等效应力改进断裂失效应力测试方法。应用断裂等效应力值时，断裂等效应力σeq计算公式如下所示：其中：j3-偏应力张量第三不变量；j2-偏应力张量第二不变量；上述变量计算公式如下：j3＝(σ1-σm)×(σ2-σm)×(σ3-σm)；其中：σm-应力球张量；σ1，σ2，σ3-胶层单元三个主应力的分量；步骤7：将拉伸试验中粘接试件胶层开始出现裂纹的点作为失效区域的危险点，在首先发生胶层失效的区域，基于该区域的有限元计算结果提取失效点单元的应力数据，利用步骤6中的断裂等效应力计算公式对步骤5过程中提取的数据进行计算处理，胶层最先发生破坏区域的σeq的数值即为粘接试件的断裂等效应力值，该值将取代传统的用断裂失效载荷除以粘接面积得到的名义应力，用作强度测试的断裂失效应力，从而得到更符合实际的断裂失效应力。步骤8：通过步骤7得到每个粘接试件的断裂等效应力，根据粘接试件的数量、实验结果的离散度，选取对应的统计学理论对数据进行处理，当断裂等效应力值的方差小于等于0.1时(一致性较好)，则获取所述断裂等效应力的平均值作为所述粘接对接接头的断裂等效应力值；当所述断裂等效应力值的方差大于0.1时(一致性较差)，则剔除差异较大的断裂等效应力值，并补充对应数量的试验，直至所述断裂等效应力值的方差小于等于0.1，获取对应所述断裂等效应力的平均值作为所述粘接对接接头的断裂等效应力值。后续进行相同类型粘接基材和粘接剂组成的粘接结构的仿真分析时，将断裂等效应力作为断裂失效应力通过子程序嵌入到有限元软件中进行计算，基于断裂等效应力来判断粘接结构的失效。利用线性组合法计算得到将作为断裂等效应力计算公式的过程具体包括：由上述分析可知单个应力量都不能够准确地作为断裂等效应力对胶层的失效进行评价，因此需要将多个应力量的组合结果作为断裂等效应力，最基本的组合方法即为线性组合法。线性组合法即将两个或两个以上相同量纲的应力量进行线性组合。为简便起见，先从最基本的线性组合开始，即任意两个相同量纲的应力量的线性组合，如果两个应力量线性组合的结果仍然没有求出符合要求的断裂等效应力时，再进行三个同量纲应力量的线性组合，依次类推，直到求出断裂等效应力。从上述量纲为mpa的应力量中任选两个，令：一个应力量为另一个应力量为(其中x的取值范围为0≤x≤90)，则有(ki≥0,α∈r,β∈r)。按照嵌接角度分别取0°、30°、45°、60°、90°在每个应力量的拟合曲线上的应力值，这样根据每个确定的α、β都可以求得五个k值，即：k1，k2，k3，k4，k5。当k1，k2，k3，k4，k5的标准差δ≤0.01，α和β为所求解。求出断裂等效应力后，检查断裂等效应力是否满足断裂等效应力必须满足的条件。由于本发明中要进行线性组合的数量较多所以为了提高α和β的求解效率，编写了matlab程序利用计算机进行求解。求解的核心思想为：通过在α∈r,β∈r内选取任意的α和β带入(ki≥0,α∈r,β∈r)中进行试算并判断其所求的标准差是否满足δ≤0.01的要求，如果满足要求则停止计算并记下此时的α和β，如果不满足则继续下一组试算。线性组合结果如表1所示：表1线性组合结果经过上述计算发现在上述表格中标准差δ≤0.01的有5组，分别为：0.00381*σ1+0.05425*σ3、0.02*σ2+0.11*σ3、0.11*σ3+0.023*τmax、0.11*σ3+0.013*σm、0.027*σ3+0.001*i1。分别将上式带入模型中计算发现计算出的断裂等效应力都存在负值，所以以上五组线性组合的结果都不满足断裂等效应力的条件，不能作为断裂等效应力，还需要再继续寻找。由于上面各个量之间的量纲并不相同所以之间不能相互直接进行线性组合，因此有必要先探究清楚他们各自的量纲，各个量的量纲如表2所示：表2各应力量量纲表通过上表可知各个应力量共有三种量纲，分别为mpa、mpa2和mpa3，针对不同量纲的应力量先采用比值法使所得到的应力量的量纲降为mpa之后再进行线性组合，如表3、4所示。比值法即将高次量纲的应力量除以低次量纲的应力量，使比值的量纲为mpa。按照计算得：表3比值法求解新应力量再按照计算得：表4比值法求解新应力量通过上述比值法可以将得到的应力量的量纲统一为mpa。在所有应力量的量纲统一之后就可以采用线性组合法构建新的应力量。按照断裂等效应力非负的原则将一些值为负的应力量排除之后，剩下的应力量为：做出它们在五组不同拉剪比接头中的拟合曲线如图1-4所示。将进行线性组合，线性组合结果如表5所示。表5线性组合结果由上述线性组合后计算的结果可知：只有的标准差最小并且能够满足δ≤0.01的要求，所以不再进行其他情况的线性组合。将带入模型中计算发现计算出的断裂等效应力都为正值，然后将带入到对接接头的仿真模型中计算得到应力云图，通过图5可以发现根据值的大小可以将失效点与未失效点区分开，即利用能准确的预测失效点的位置，并且其最大值发生在胶层的失效区。由上述分析可知满足断裂等效应力的所有条件。因此，作为断裂等效应力计算公式满足嵌接角度分别取0°、30°、45°、60°、90°的粘接接头，而90°即为本发明中的粘接对接结构。实施例以6005a型铝合金粘接基材和sikaflex-265聚氨酯粘接剂为具体实施例，对本发明的具体实施方式进一步的描述。以下实施例仅用于更清楚的说明本发明技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。步骤1：测试6005a型铝合金和sikaflex-265聚氨酯的粘接性能，先要制作粘接试件，其几何形状示意图如图6-8所示。步骤2：粘接试件的制作在25±2℃/50％rh的密闭环境中完成，涂胶之前，首先使用80目的砂纸打磨铝合金粘接基材表面，使得粘接表面打磨平整且增加表面粗糙度，后用脱脂棉蘸取酒精沿同方向擦拭表面，直至脱脂棉干净后晾置10分钟；使用脱脂棉蘸取清洁剂sikaremover-208和活化剂sikaaktivator擦拭粘接表面，去除表面油脂灰尘和对表面活化，分别晾置15分钟；最后使用脱脂棉蘸取sikaprimer-206g+p底涂剂，在粘接表面刷薄薄一层均匀的底涂，晾置30分钟。步骤3：在铝合金粘接表面涂sikaflex-265粘接剂，使用图9所示的夹具粘接试件，24h后将试件从夹具中取出，放于25±2℃/50％rh的环境中进行固化，固化30天结束后切除多余的粘接剂。步骤4：利用上述步骤2～3，通过粘接夹具制作15个粘接试件，通过光学扫描仪测试粘接试件的胶层厚度，测试得到胶层厚度分别为1mm、2mm和3mm，每种胶层厚度粘接试件各5个。步骤5：通过准静态拉伸试验机，分别对15个粘接试件进行准静态拉伸试验，拉伸试验过程中通过光学扫描仪观察胶层开裂情况，当胶层开始出现裂纹后，以粘接试件胶层开始出现开裂时的载荷作为粘接试件的断裂失效载荷，得到对应每种胶层厚度粘接试件的平均断裂失效载荷值，如表6所示。表6不同厚度粘接试件断裂失效载荷统计胶层厚度(mm)断裂失效载荷(n)138462368933584步骤6：通过abaqus有限元分析软件，分别建立1mm、2mm和3mm三种胶层厚度粘接试件的有限元分析模型，如图10所示。其中建立了25×25×20mm3的铝合金粘接基材三维模型，单元尺寸为0.5mm，为了获取准确的胶层应力分布，对胶层的网格进行细分，以网格划分尺寸为0.2mm进行细分。铝合金粘接基材与胶层之间的粘接面采用共节点处理，粘接基材和胶层均采用实体单元c3d8r进行定义，其中c为实体单元，3d为三维，8为所述实体单元具有的节点数目，r为所述实体单元是缩减积分单元。材料参数如表7所示。表7材料参数为了模拟实验真实地约束状态，铝合金基材的一端采用全约束固定，基材另一端施加沿轴向方向的集中载荷，集中载荷参考点与平面之间的设置约束绑定，如图11所示。由于胶层仿真过程中存在大变形，需引入几何非线性进行计算，选用显示非线性求解准静态问题，显示非线性的开启在step模块下设置，并且为了保证求解的质量，在模型的建立过程中利用abaqus软件中的load模块创建光滑的载荷谱。步骤7：将准静态拉伸试验得到15个粘接试件的断裂失效载荷值，分别作为边界条件施加到对应胶层厚度的有限元分析模型上进行计算。步骤8：待粘接试件有限元分析结束后查看分析结果，根据有限元计算结果，对计算分析后的有限元模型中粘接胶层所有单元上的应力计算数据进行提取。步骤9：定义偏应力张量中的第三不变量和第二不变量的比值为断裂等效应力，引入断裂等效应力改进断裂失效应力测试方法。应用断裂等效应力值时，断裂等效应力σeq计算公式如下所示：其中：j3-偏应力张量第三不变量；j2-偏应力张量第二不变量；上述变量计算公式如下：j3＝(σ1-σm)×(σ2-σm)×(σ3-σm)；其中：σm-应力球张量；σ1，σ2，σ3-胶层单元三个主应力的分量；步骤10：将拉伸试验中粘接试件胶层开始出现裂纹的点作为失效区域的危险点，在首先发生胶层失效的区域，基于该区域的有限元计算结果提取失效点单元的应力数据，利用步骤9中的断裂等效应力计算公式对步骤8过程中提取的数据进行计算处理，胶层最先发生破坏区域的σeq的数值即为粘接试件的断裂等效应力值，如表8所示为不同胶层厚度粘接试件断裂等效应力统计，该值将取代传统的名义应力表示粘接试件的断裂失效应力，用作强度测试的断裂失效应力，从而得到更符合实际的断裂失效应力。表8不同厚度粘接试件断裂等效应力统计粘接厚度(mm)σeq(mpa)12.9123.1133.06步骤11：通过步骤10得到粘接试件的断裂等效应力，选取对应的统计学理论对数据进行处理。因为得到的粘接试件断裂等效应力的方差小于等于0.1(一致性较好)，这里可将粘接试件的断裂等效应力取平均值，将断裂等效应力的平均值3.03mpa作为该种粘接基材和粘接剂组成的粘接试件的断裂失效应力。若粘接试件断裂等效应力一致性较差时，根据统计学理论剔除差异较大的点，再继续补充实验，最终获得满足实验要求的实验结果。后续进行相同类型粘接基材和粘接剂组成的粘接结构的仿真分析时，将断裂等效应力作为断裂失效应力通过子程序嵌入到有限元软件中进行计算，基于断裂等效应力来判断粘接结构的失效。步骤12：为了应用断裂等效应力作为粘接试件断裂失效应力，在abaqus软件中利用sdv3表示断裂等效应力值，达到失效单元删除的设置可在step中勾选status进行开启。以1mm的对接试件为例，整个胶层的单元失效过程如图12-17所示。可以看出胶层的失效是由四周向内部逐渐扩散的，发现仿真结果中单元的失效位置及扩展方向与实验观察的现象吻合。针对粘接基材与粘接剂的相对刚度存在差异时，粘接试件在承载过程中，胶层内部应力成分不是单一应力，而是受复杂应力状态的影响的问题，本发明提供一种改进型的粘接试件断裂失效应力测试方法，通过有限元模型仿真与实验相结合的方法，分析粘接试件的应力分布状态，提出了粘接试件断裂失效应力测试方法的改进措施。本发明结合复杂应力状态，引入了断裂等效应力计算粘接试件的断裂失效应力，得到更加真实地断裂失效应力，解决了现有实验方法不能真实反映粘接试件断裂失效应力的问题。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。当前第1页12