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1、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
2、 界面为结构承载的关键部位 ， 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 13， 其中 ， Needleman1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 ；Tvergaard2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 ， 以最大应变作为参量便于实
3、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 46。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的界面力学模型 (图 1)以表征具有
4、粘弹性和时间效应的内聚力模型 。2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 ，E (1)ccFFabnTnTnndTdnmaxncnTn0ndT0nd dtn本构图 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 /n ndT d； 内聚表面的应力 nT和界面位移间断 n取代模型中的应力和应变； 常数 3( / )n N s mm， 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
5、 壶的粘性系数 2( / )N s mm， 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nn n ndT Tdt(2)其中 ， nT为 Needleman模型中 表示的时间无关内聚力 ， 具体表达式如下max expn nnnc ncT ze zncn(3)0nTncn(4)式中 ， z 为 16e/9， e 为 exp(1)； max为内聚强度 ， nc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 。3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
6、伸 分离强度 ， nc， 强度极限 ， max， 及粘性系数 ， n。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
7、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 。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 载荷位移曲线图控制计算机三维移动台CCDFF光源4
8、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 911， 其中将待求解的问题转化为一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 ， 不断更新数值模拟中的界面参量 ， 使得两
9、者趋于一致 ， 实现对目标函数值的极值化 ， 得到关于界面参量的最优解 。 这种基于实验结果的界面参数反演识别的流程如图 4所示 。时间相关界面模型光学实验观测得到界面破坏模式FEM数值计算模拟界面破坏结果构造目标函数kexp numM M选择合适的优化算法收敛？界面参数最优解界面参数更新否是expMknumM0k1kkr图 4 基于实验结果的界面参数识别流程图正问题数值模拟部分 ， 利用商用有限元程序 ABAQUS提供的用户单元接口 UEL12编制了相应的软件 。 这是一种无初始厚度的二维四节点单元 ，其界面单元的局部坐标 如图 5所示 。1 234-1 1nt图 5 界面单元的局部坐标在变
10、形的初始阶段 ， 界面单元的上下两个内聚表面是重合的 ， 对应的节点具有同一坐标值 。 当只考虑法向载荷作用时 ， 每个节点具有一个自由度值 ， 即沿局部坐标 n方向的平动自由度 。 在一定速率载荷的作用下 ， 随着载荷的增大 ， 界面开始变形 ， 由式 (2)表示的界面本构关系控制界面处应力与位移间断之间的关系 ， 当界面变形达到临界张开位移值时 ， 界面应力值为零 ， 此时界面最终失去承载能力而破坏 。本文采用平面应力模型用 ABAQUS商用有限元程序对结构建模 。 被粘物材料与真实实验材料完全相同 ， 选取弹性材料 ， 其弹性模量为 70GPa， 泊松比5为 0.33， 且数值模型网格采
11、用向界面逐渐加密的四节点双线性平面应力减缩积分单元 （ CPS4R）。 连接被粘物界面处均匀分布尺寸为 0.25mm由上述推导的界面单元 ， 由界面模型的本构关系式 (2)可以看出其具有率相关的特性 ， 此新的界面单元由 ABAQUS商业有限元程序的用户单元接口 UEL来编写相应的软件程序来实现 。针对要求解的模型建立合理有效的目标 函数是反问题求解的关键 。 建立多参量界面参数识别目标函数 ， 需要将实验观测得到的界面损伤破坏结果与基于一组界面参量表示的界面模型的有限元模拟界面破坏结果建立联系 。 本文中用于建立目标函数的界面信息 ， 一方面为实验观测结果 ， 针对不同的加载速率 ， 实时记
12、录的界面破坏类型及破坏的区域 ； 另一方面为正问题的数值模拟 ， 当计算结果发现界面单元所承受的应力近似为零 ， 就可以判定此时的界面单元为失效 ， 在此界面信息的基础上 13， 建立离散多变量的目标函数 ：1( ) ( ),ni iin nr r (5)其中 ， 待识别的界面参量可以用三维空间的矢量 ( , , )max nc nr来表示 。 数值反演采用具有良好全局搜索能力的遗传算法进行识别计算 。 格雷码的编码方式进行多参数级联编码 ， 对应 变量的变化范围 分别 0200Mpa,02.0mm及 0200Mpa.s/mm 。 以高速 2.0 /v mm s加载的实验结果为依据 ， 建立对
13、应的数值模型 ， 反演得到的各参数的结果为 ： 界面强度极限 max 8.1 aMP,刚度极限 0.35nc mm， 法向粘性系数 15.2 /nc aMP s mm。 图 6显示历代种群归一化的平均适应度值的收敛状况 。图 6 平均适应值曲线 图 7反演结果的数值模拟与实验测试对比65结果分析与讨论将上述反演得到的界面参数代入有限元数值计算的界面模型中 ， 调整加载速率值使得与低速实验 0.2 /v mm s加载情况保持一致 ， 有限元数值模拟计算及对应的实验实时记录得到的载荷 位移曲线如图 7所示 。从数值模拟结果与实验测试结果比较中可以看出 ， 采用基于实验的杂交反演方法识别得到的界面力
14、学性能参数能够反映真实构件界面的时间相关的界面破坏趋势 ， 与实验测试得到结果比较吻合 。 因此 ， 遗传算法进行反演识别得到的解是适定的 ， 本文提出的考虑时间效应的界面力学模型对于软的粘接界面力学性能的描述是合理和有效的 ， 并为进一步深入研究真实结构复杂界面力学特性提供了一种行之有效的求解思路 。参考文献1Needleman A. An analysis of tensile decohesion along an interface. J. Mech. Phy. Solids, 1990, 38:289324.2Tvergaard V. Effect of fiber debondin
15、g in a whisker-reinforced metal, Mat. Sci. and Eng A, 1990, 125:203213.3Lin X.H., Kang Y.L., Qin Q.H., Fu D.H., Identification of interfacial parameters in a particle reinforcedmetal matrix composite Al606110%Al2O3 by hybrid method and genetic algorithm, Comput. Mater. Sci.,2005, 32(1):47-56.4Rahulk
16、umar P., Jaqota A., Bennison S.J., Saiqal S., Cohesive element modeling of viscoelastic fracture:application to peel testing of polymers, Int. J. Solids Stuct., 2000, 37 (13):1873-1897.5Xu C., Siegmund T., Ramani K., Rate-dependent crack growth in adhesives I. Modeling approach, Int. J.Adhes. Adhes., 2003, 23: 9-13.6Xu C.,
