金属橡胶元件粘接强度与破坏的有限元分析文献综述

1. 选题背景和意义：

随着工业生产的快速发展，以及新材料的不断发现和应用，不可避免的会带来异种材料的连接问题，传统的连接手段（螺栓连接、焊接、铆接）有时候并不能满足所有异质材料结构的多样化连接需求。因此，胶接技术作为解决这一问题的关键手段成为时下研究和讨论的热点。

橡胶是一种无定形的高聚物，具有高弹性、粘弹性、缓冲减震作用和电绝缘等特性，而金属一般具有高强度、高硬度、易导电等特点。金属和橡胶经过良好的粘接可以制得具有不同构型和特性的复合件，这种复合体系在工业中有广泛的用途，如汽车工业、机械制造工业、固体火箭发动机的柔性接头、桥梁的支撑缓冲垫等。

由于金属和橡胶是物理性质和化学结构相差极大的两种材料，而粘接剂可以良好的过渡金属和橡胶，其粘接强度的强弱对结构整体的强度有着决定性作用。而结构界面的开裂或失效在工程领域中是严重的结构失效形式，造成的后果一般比较严重，研究粘接剂与被粘物体界面的粘接强度及其失效模式具有重要的理论意义和工程实用价值。

二、课题关键问题及难点：

1. 粘接层的内聚力本构模型中，应变软化区的形状是重要参数，它对计算结果有显著影响。双线性内聚力模型能有效预测脆性界面的失效，对于塑性胶粘剂在剪切作用下的大塑性流动，其预测的失效强度偏低，而幂指数内聚力模型和梯形内聚力模型更适合塑性界面的失效预测。因此，对于不同的粘接剂，选择合适的内聚力模型显得相当重要。
2. 双线性内聚力模型的牵引力-展开位移曲线在最高点的突然转折会导致有限元分析中的数值收敛性问题，abaqus有限元软件则是在刚度方程中引入粘性力，通过引入粘性力来提高收敛性。然而，粘性常数要合理选取，取值太小不能提高收敛性，太大则会影响数值精度。因此需根据具体问题通过尝试计算找到合适的粘性常数，在不影响准确性的前提下选择较大的粘性常数
3. 文献综述（或调研报告）：

胶接技术是一门新学科，自本世纪初，各类合成树脂和合成橡胶研制成功至今，胶粘剂和胶接技术迅猛发展。胶接技术工艺简单，不要求较高的加工精度；材料方面可实现金属、橡胶、塑料、陶瓷、玻璃、纤维等各种材料之间的联接；力学性能方面：不削弱零件本身结构，可避免因螺钉孔、铆钉孔和焊缝周围的应力集中所引起的疲劳龟裂。由于胶接技术的种种优点，胶接技术在工业和生活中的应用非常广泛，如轨道交通、汽车工业、航空航天、产品修补等等。

在众多可胶接的材料中，橡胶是一种无定形的高聚物，具有良好的弹性，能够承受很大应变且不会导致永久变形与断裂，而内部的粘弹性使其具有一定的阻尼，这类材料一般经过适当的配方设计可以满足大范围的材料性能要求。为了提供安全的接触方式和改善结构在不同方向的刚度，橡胶材料经常与其他力学性能差别很大的材料粘合在一起。自20世纪30年代初，橡胶与金属构件粘结技术在国际上取得成功后，橡胶在工程上获得了越来越广泛的应用。因此，研究橡胶-金属复合件的力学行为具有很强的工程背景和实际应用价值。

在金属橡胶元件的非线性有限元分析中，通过对界面单元的裂纹萌生与损伤来对粘接界面的失效规律进行相应研究。粘接界面是采用内聚力模型进行模拟，对应的单元为Cohesive element，基于弹塑性断裂力学的内聚力理论介于损伤力学和断裂力学之间，通过选取适当的参数，反应界面层物质的模量、强度、韧性、裂纹的形成和扩展等。作为连续模型在不连续界面上的投影，内聚力理论假定界面上的失效是由界面的牵引力和展开位移（或称为位移跳）之间的关系支配。而就牵引力-展开位移的形状来说，当前国内外发展了诸多内聚力模型，如多项式内聚力模型、梯形内聚力模型、双线性内聚力模型、线性衰减内聚力模型、离散内聚力模型、基于势能的统一的内聚力模型以及指数内聚模型。其中，以双线性内聚力模型、梯形内聚力模型和指数内聚力模型最为经典。

国内外学者对内聚力模型的形状、内聚力模型参数的标定和应用展开了诸多研究，Rots指出本构模型应变软化区的形状是重要的参数，它对分层失效有显著的影响。Volokh在刚体的剥离测试中比较了双线性、抛物线、正弦和指数内聚力模型，结果显示内聚力的形状对计算结果有显著影响。Song等对准脆性材料的研究显示，材料强度和断裂能等内聚力参数比内聚力软化形状更重要，但是当断裂过程区尺寸与结构尺寸的比值增大时，内聚力软化形状的影响变得显著。Campilho等指出，双线性内聚力模型能有效预测脆性界面的失效，对于塑性胶粘剂在剪切作用下的大塑性流动，其预期的失效强度偏低，而幂指数内聚力模型和梯形内聚力模型更适合塑性界面的失效准则。Chandra等基于幂指数和双线性内聚力模型开展了金属基陶瓷面的分层研究，指出应根据试验等结果选择合理的内聚力模型和相应的内聚力参数。

参考文献：

[1]张岩．胶接技术发展概述[J]．科技信息（科学教研），2008，17：46-47