密封膠被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)、建筑工程等領(lǐng)域，其在服役過程中常常需承受復(fù)雜的循環(huán)載荷，在可靠性評估中應(yīng)充分考慮循環(huán)載荷對密封膠變形行為的影響。近日，鄭州大學(xué)的張軍教授團隊對循環(huán)加載條件下密封膠的力學(xué)行為展開實驗和理論研究。通過開展不同應(yīng)變幅和平均應(yīng)變的循環(huán)實驗來分析松弛應(yīng)力、循環(huán)軟化和耗散能的演化規(guī)律，并提出了一種黏彈本構(gòu)模型來描述密封膠的循環(huán)變形行為。

圖1 循環(huán)加載實驗結(jié)果：應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線、松弛應(yīng)力、循環(huán)軟化以及耗散能量演化

本文的主要工作如下：首先在應(yīng)變控制下對TB991密封膠開展了循環(huán)加載實驗，研究了平均應(yīng)變和應(yīng)變幅對循環(huán)松弛應(yīng)力、循環(huán)軟化變量和耗散能的影響（圖2）。然后根據(jù)循環(huán)載荷下密封膠的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，提出相應(yīng)的黏彈本構(gòu)模型。所提出模型可良好描述密封膠在單圈加-卸載、循環(huán)加-卸載下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)以及循環(huán)應(yīng)力松弛和軟化現(xiàn)象。最后，通過計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較，驗證了所提出模型的有效性和準(zhǔn)確性。

圖2不同應(yīng)變幅值下的循環(huán)拉伸實驗結(jié)果

基于熱力學(xué)原理的黏彈本構(gòu)模型已被用來描述聚合物的非線性力學(xué)行為，其基本思想是將線彈性變形與符合高聚物力學(xué)行為的非線性黏彈變形相疊加以建立統(tǒng)一的本構(gòu)模型。為描述首圈加-卸載和循環(huán)加-卸載之間應(yīng)力應(yīng)變曲線的不同形狀，本文提出了初始加載以及循環(huán)加載下各自的黏性應(yīng)變增量函數(shù)，引入循環(huán)應(yīng)力松弛函數(shù)以控制密封膠的松弛應(yīng)力，進而構(gòu)建出可良好描述黏彈材料循環(huán)加-卸載的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)以及循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化的黏彈本構(gòu)模型。

圖3蠕變?nèi)崃恐髑€與笛卡爾坐標(biāo)中折減時間的關(guān)系

通過開展蠕變實驗并對蠕變曲線進行時間-應(yīng)力等效以獲取模型參數(shù)，計算獲得了密封膠在應(yīng)變控制下的循環(huán)變形的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。理論與實驗結(jié)果對比（圖4）表明：材料的循環(huán)應(yīng)力松弛和循環(huán)軟化在初始循環(huán)加載階段較為嚴(yán)重，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加而逐漸穩(wěn)定；應(yīng)變幅對耗散能的影響比平均應(yīng)變更顯著。理論計算的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實驗結(jié)果吻合良好，該模型可較好描述應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)在首圈加-卸載和循環(huán)加-卸載下的形狀差異。

圖4 不同平均應(yīng)變下模型預(yù)測與實驗對比

在本研究中，所提出黏彈循環(huán)本構(gòu)并未討論循環(huán)周期對應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的影響，由于黏彈性高聚物顯著的時間依賴性，有必要圍繞循環(huán)周期的影響展開進一步的研究。此外，若黏彈性軟材料具有先軟化后硬化的復(fù)雜超彈特征，其在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)變形行為也可能表現(xiàn)出循環(huán)軟化或循環(huán)硬化，材料黏彈性與超彈性對循環(huán)變形的影響是耦合且復(fù)雜的，有必要可以對此問題進行深入研究。

相關(guān)研究論文以“Experimental and theoretical investigation on mechanical behaviors of TB991 weld sealant under cyclic loading"為題發(fā)表在《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》。