金属-金属粘接体系界面边缘的应力奇异性效应及胶层厚度引起的跨尺度力学行为精细实验测量和数值模拟研究

Bonding is widely used in important fields such as aircrafts, launch vehicles, satellites and missiles. Many scholars have done a lot of good work on bonding technology.However, the stress singularity problem at the edge of the interface of the bonding system has not been paid enough attention, and there is no detailed understanding of the trans-scale mechanical behavior caused by the thickness of the bonding layer.The research on the stress singularity problem at the edge of the interface of the bonding system and the trans-scale mechanical behavior caused by the thickness of the adhesive layer are not only academic frontiers, but also important demand issues in the aerospace and other high-tech fields. The project is ready to carry out systematic experimental measurements and finite element numerical simulation methods considering strain gradient effects.（1）By comparing the rectangular and circular cross-section bonding experiments, the stress singularity effect at the edge of the rectangular cross-section sample will be characterized, and the effect of singularity effect on the mechanical parameters such as failure strength will be obtained.（2）Through the experiment of changing the thickness of the adhesive layer and the comparison of the finite element simulation considering and not considering the influence of the strain gradient effect, the trans-scale mechanical behavior of the mechanical parameters such as the failure strength and interface fracture energy caused by the variation of the adhesive layer will be characterized.By introducing relevant parameters and combining existing theoretical models, the trans-scale strength prediction criteria of the bonding system will be established to provide reference and guidance for scientific research and engineering application.

粘结技术被广泛应用于飞机、运载火箭、卫星和导弹等重要领域中。很多学者在粘结技术方面做出很多很好的工作，但是对于粘结体系界面边缘存在的应力奇异性问题还没有足够的重视，对于胶层厚度引起的跨尺度力学行为还没有细致深入的认识。对粘结体系界面边缘应力奇异性效应和胶层厚度引起的跨尺度力学行为研究，既是学术前沿，又是航空航天等高科技领域的重要需求问题。本项目拟通过系统的实验测量和考虑应变梯度效应的有限元数值模拟方法：（1）通过矩形截面和圆截面斜接粘结实验的对比，表征矩形截面试样界面边缘的应力奇异性效应，得到奇异性效应对失效强度等力学参量的影响；（2）通过改变胶层厚度尺度的实验以及是否考虑应变梯度效应影响的有限元模拟对比，刻划胶层厚度变化引起的失效强度、界面断裂能等力学参量表现出的跨尺度力学行为。试图通过引入相关参数，结合已有理论模型，建立粘结体系的跨尺度强度预测准则，为科学研究和工程运用提供参考和指导。

随着科学技术的迅猛发展，粘结技术被广泛应用于大飞机、航天军工、新能源汽车、工业自动化和半导体芯片等国家重点发展领域中。长期以来，粘结技术得到了非常广泛的应用，但还是建立在大量经验的基础之上，缺少系统性的实验和相关理论的支撑。许多学者在粘结方面做出很多很好的工作，但是对于粘结体系界面边缘存在的应力奇异性问题还没有足够的重视，关于这方面的深入研究还比较稀缺。对粘结体系的研究，既是学术前沿，又能满足国家十四五发展规划的重要需求。.大量的实验结果表明当胶层的厚度从毫米量级减小到百微米量级时，胶接体系界面的拉伸强度或剪切强度显著增加。相比于有许多棱角的单搭接接头、棱柱形斜接试样等胶接体系，圆柱形斜接试样能有效减少胶层/被粘物界面处应力奇异性的影响，从而使得胶层的强度在实验中充分体现出来。.本项目通过有限元数值模拟，使用不考虑失效特征的弹塑性模型，建立不同粘结结构以及同样结构不同胶层厚度或斜接角度的模型，对金属/胶粘剂斜接接头模型中应力和变形的分布、载荷-位移曲线等进行研究。.我们基于弹性应变梯度理论(小变形)和脆性断裂准则，建立了刻画圆柱形斜接试样界面强度的跨尺度力学理论模型。理论模型预测的界面强度与之前的实验结果进行了比较。给出了跨尺度力学模型的控制方程及解答，揭示了应变梯度在提升胶接体系界面强度中的重要作用。讨论了圆柱形斜接试样的界面强度、临界名义应变、临界应变能密度以及载荷-位移曲线。

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