率相关粘接结构的界面力学性能研究

论文摘要

粘接技术常用于连接不同的材料，且与传统连接相比热应力小、重量轻、加工成本低，这使得粘接结构得到广泛应用。由于材料的不连续性，粘接界面附近容易产生应力集中，粘接结构的破坏往往发生在粘接界面处，对粘接结构的界面力学性能进行表征与评估十分必要。大量研究表明粘接界面具有加载速率相关的粘性特性，而现在的实验技术仍难以直接测量表征粘接界面率相关力学性能的界面参数，而界面力学模型和有限元技术的发展为粘接结构界面力学响应的数值分析提供了理论依据。本文基于粘接结构的实验结果，结合率相关的界面有限元模型，引入反演识别技术研究粘接界面力学性能。采用一种考虑率效应的界面模型，结合非实体四节点界面单元，利用ABAQUS有限元软件的UEL接口编制界面单元，数值模拟金属粘接件双悬臂梁（DCB）试件法向受拉时的界面损伤破坏。该模型在Needleman内聚力模型的基础上，引入广义Maxwell模型，将粘接界面受法向拉伸的失效机理表征为法向内聚强度、法向内聚长度、粘性系数及次刚度四个参数。数值模拟结果表明该模型能够反映粘接界面的率效应。基于实验得到的非线性力学响应数据，以ABAQUS数值模拟进行正问题求解，采用改进的遗传算法，实现单向拉伸作用下对DCB试件率相关界面力学参数的反演识别。采用Matlab编程与ABAQUS的Python脚本语言编程相结合，实现遗传算法杂交反演过程的全自动化，大大提高了反演效率。最后，结合不同加载速率下DCB试件的实验结果，分析验证了本文考虑率效应的粘接界面模型和反演识别方法表征粘接界面性能的有效性。建立一种能同时模拟界面切向及法向失效的率相关的界面模型，并进行聚乙烯/聚丁烯（PE/PB）薄膜剥离过程的模拟。以iPB-1含量10%的PE/PB薄膜为研究对象，以固定臂剥离的形式建模，针对不同的剥离速率及剥离角进行多组模拟，计算结果发现：剥离力随着剥离速率的增大而增大；在剥离角处于70-120范围内，剥离力随着剥离角的增大而减小，且应变能释放率几乎保持不变。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 界面损伤的研究现状
• 1.2.2 反问题的研究现状
• 1.2.3 反问题求解方法的现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 界面材料参数反演识别研究的相关理论及技术
• 2.1 基于实验的杂交反演分析方法
• 2.1.1 杂交反演分析方法
• 2.1.2 反问题解的不适定性
• 2.1.3 优化方法
• 2.2 内聚力模型
• 2.3 ABAQUS用户单元子程序UEL
• 2.3.1 UEL概述
• 2.3.2 UEL子程序接口及主要变量介绍
• 2.3.3 一般用户单元的定义及调用
• 2.4 Python及ABAQUS的脚本接口
• 2.4.1 Python
• 2.4.2 ABAQUS与Python
• 2.5 本章小结
• 第三章 金属粘接件单向拉伸作用下考虑率相关的有限元模拟
• 3.1 金属粘接件DCB试件的介绍及相关实验
• 3.2 DCB试件单向拉伸作用下有限元模拟
• 3.2.1 率相关的非实体四节点界面单元
• 3.2.2 UEL接口编制界面单元
• 3.2.3 UEL子程序验证
• 3.2.4 DCB试件单向拉伸作用下的有限元模拟
• 3.3 本章小结
• 第四章 金属粘接件单向拉伸作用下界面力学性能参数的反演识别
• 4.1 界面参数杂交反演的基本思想
• 4.2 遗传算法反演界面参数
• 4.2.1 遗传算法反演界面参数的过程
• 4.2.2 杂交反演的全自动化
• 4.2.3 界面参数识别结果及分析讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 聚乙烯/聚丁烯薄膜剥离过程的有限元模拟
• 5.1 PE/PB薄膜简介及相关实验
• 5.2 PE/PB薄膜剥离的有限元模拟
• 5.2.1 界面模型及UEL子程序
• 5.2.2 PE/PB薄膜固定臂剥离的有限元模拟
• 5.2.3 影响剥离结果的因素
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历