基于直接法的短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料端部切口彎曲試驗(yàn)的II型內(nèi)聚力律的驗(yàn)證

在工業(yè)輕量化趨勢(shì)下，短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料因其易加工、成本低的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用日益廣泛。在多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，需將短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料與其他材料進(jìn)行粘接，而如何準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)其粘接接頭的強(qiáng)度，以確保結(jié)構(gòu)的安全成為亟需解決的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，日本慶應(yīng)大學(xué)的Masaki Omiya提出了利用直接法計(jì)算兩種（Based on J, Based on G）J積分值以獲取內(nèi)聚力模型（CZM）參數(shù)，并基于此方法開發(fā)了一種預(yù)測(cè)使用短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料作為被粘件的粘接接頭強(qiáng)度的方法，為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與性能評(píng)估提供了更精確的工具。

圖 1 端部切口彎曲（ENF）試驗(yàn)示意圖及分析參數(shù)說(shuō)明

本文通過(guò)端部切口彎曲（ENF）試驗(yàn)來(lái)模擬接頭在剪切力作用下的II型失效過(guò)程。被粘件為短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，粘接劑為環(huán)氧樹脂，在進(jìn)行試驗(yàn)之前采用激光燒蝕處理被粘件表面，使用金屬薄膜和特氟龍膠帶來(lái)控制膠層厚度并預(yù)制初始裂紋。試驗(yàn)過(guò)程中采用位移控制的方式進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載。最后結(jié)合分析所得的CZM參數(shù)進(jìn)行有限元分析（圖2），以驗(yàn)證本文所用方法的正確性。

圖 2 ENF試驗(yàn)有限元分析的邊界條件和網(wǎng)格模式

研究人員利用ENF試驗(yàn)數(shù)據(jù)考慮了II型斷裂J積分的兩種不同形式：一種考慮了被粘件塑性變形所消耗的能量（Based on J），另一種則假定被粘件為純彈性（Based on G）。他們分別基于這兩種J積分推導(dǎo)出了兩組不同的CZM模型參數(shù)（圖3），并將這兩組參數(shù)代入到有限元分析中，得到了ENF試驗(yàn)有限元分析的載荷-位移曲線。將ENF試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果做對(duì)比，結(jié)果表明，基于純彈性假設(shè)的J積分所推導(dǎo)出的CZM參數(shù)能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)粘接接頭的實(shí)際強(qiáng)度。

圖 3 基于兩種不同形式的J積分所得的CZM參數(shù)

圖 4 ENF試驗(yàn)載荷-位移曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元結(jié)果對(duì)比

綜上所述，本文開發(fā)了一種用于預(yù)測(cè)短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料作為被粘件的粘接接頭強(qiáng)度的方法。通過(guò)直接法分析ENF試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到兩種假設(shè)下的CZM參數(shù)， 然后基于所得的兩組CZM參數(shù)分別進(jìn)行有限元分析，并將模擬的載荷-位移曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在使用低剛度的增強(qiáng)熱塑性材料(如短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)的粘接接頭中，基于純彈性假設(shè)下的直接法預(yù)測(cè)得到的粘接接頭強(qiáng)度參數(shù)與實(shí)際情況更相符。本文的工作為在粘接系統(tǒng)中獲得CZM參數(shù)以建立CZM模型提供了新的思路。

相關(guān)研究論文以“ Validation of mode II cohesive law obtained using the direct method with short-fiber-reinforced thermoplastic adhesively bonded end-notched flexure joints"為題發(fā)表在《Engineering Fracture Mechanics》。