时间相关界面力学性能表征与界面参数反演识别.doc

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1、时间相关界面力学性能表征与界面参数反演识别亢一澜王娟天津大学机械学院,天津，300072摘要本文提出了一种新的考虑时间相关的界面破坏模型。采用基于实验的杂交反演识别方法，即实验测量、反演识别和数值模拟相结合的方法，对双悬臂梁粘接件承受法向载荷时的界面参数进行了分析识别。实验验证结果表明，考虑时间相关的界面模型表征粘接件界面破坏的合理性及杂交反演方法进行界面参数识别的有效性。关键词时间相关材料，界面破坏模型，杂交反演方法，界面参数识别1引言随着新型复合材料的发展，粘接材料广泛应用于汽车及航空工业等。其中界面为结构承载的关

2、键部位，其界面力学性能在整体结构材料响应中发挥着举足轻重的作用。因此准确、合理地描述界面性能显得格外重要。围绕界面力学强度与损伤破坏等问题，一些研究者开展了相关的工作，提出了若干描述界面力学性能的理论模型[1~3]，其中，Needleman[1]首先将内聚力模型用于材料的界面力学性能分析，将界面本构关系用界面势来进行描述；Tvergaard[2]应用内聚力模型直接建立了界面粘接力与界面位移间断之间的关系。内聚力界面模型的优点是可以同时考虑切向和法向的变形与破坏，可适用于描述界面的损伤与破坏。在这类模型中，以最大应变作为

3、参量便于实验观测[3]。但对于较软材料的结合界面问题，实验结果发现，界面的力学特性具有粘弹性的特点，因此在这一类材料的界面性能研究中仅考虑损伤效应与破坏的时间无关的内聚力模型是不够的，还需要进一步考虑时间效应[4~6]。针对具有粘弹性特点的界面材料，本文提出一种新的考虑时间相关的界面破坏模型并通过基于实验的杂交反演方法来对界面参数进行识别。进而在破坏机理上对实际粘接结构的时间相关的界面力学行为进行定量的评价与表征。2考虑时间相关的界面力学模型在Needleman等经典的内聚力模型的基础上，本文提出了一种新的考虑时间相关

4、的界面力学模型(图1)以表征具有粘弹性和时间效应的内聚力模型。仅考虑在法向线性粘弹性模型的情况，基于小变形的假定，在图示的载荷下，Kelvin模型[7]表示的本构关系为，(1)图1时间相关的界面模型由时间无关的内聚力模型与粘性元件并联表示的考虑时间相关的界面模型中，基于以下几个方面的假定[5]：原有的簧元件的弹性模量E相应地变为内聚刚度；内聚表面的应力和界面位移间断取代模型中的应力和应变；常数，即单位速度作用下引起的单位面积上作用力的变化，取代了粘壶的粘性系数，即单位应变率作用下引起的单位面积上作用力的变化。因此，将相

5、应的变量进行变换后，对应新的界面模型的本构关系表示为(2)其中，为Needleman模型中表示的时间无关内聚力，具体表达式如下(3)(4)式中，z为16e/9，e为exp(1)；为内聚强度，为界面临界张开位移。内聚量上的符号用于区别时间相关的内聚量。因此，仅法向承载的新的考虑时间相关的界面本构模型中，有三个界面参量，即界面拉伸分离强度，，强度极限，，及粘性系数，。3双悬臂梁粘接件单向拉伸实验设计双悬臂梁粘接结构单向拉伸实验[8]，实时记录粘接件的界面受单向拉伸作用时的界面破坏变形信息，为进一步识别真实结构的界面参量提供

6、真实的实验参照信息。双悬臂梁试件此试件由两块长a=120mm，宽8mm，厚为c=4mm的被粘物粘接构成，其几何形状和尺寸如图1所示，在试件一段的粘接表面加入脱模剂，预制长为b=45mm的裂纹。被粘物的材料选用工业上广泛应用的WL12-CZ材料。粘接剂选用WL-506胶，在粘接前需要对被粘表面进行预处理。文中采用栅线法记录界面处的变形与失效信息。Instron3343电子万能试验机以一定速率进行加载，相应的载荷速率作用下，CCD等图像采集系统记录一定试场范围内的局部界面失效信息。实验采用的图像采集系统如图2所示。控制计算

7、机三维移动台CCDFF光源图2实验用图像采集系统当试验机分别以速率v=0.02，0.2，1.0和2.0进行加载时，记录得到的载荷位移曲线如图3所示。实验结果表明随着加载速率的增加最大载荷值有增大的趋势，进而表明粘接界面是时间相关的，且界面能也有增大的趋势，这就为考虑时间相关的界面性能表征提供了依据。图3载荷位移曲线图4界面参数的杂交反演识别合理的界面参数是研究真实结构界面区域失效机理的关键，采用反问题的方法对粘接材料的率相关界面力学性能参数进行识别。对于参数识别采用的反问题方法有[9~11]，其中将待求解的问题转化为一

8、组特定的界面参量表征的目标函数形式进行优化求解是比较有效的方法。本文采用基于实验的反演方法，其中是以考虑时间相关的界面模型为基础，以光学实验观测得到的界面破坏模式为依据，以有限元数值模拟为工具，进而构造合理的目标函数以表示实验观测和数值计算的界面破坏模式的之间的差异，并选择合适的优化算法对实验结果与数值计算结果进行比较，不断更新数