密封膠被廣泛應用在汽車工業(yè)、建筑工程等領域，其在服役過程中常常需承受復雜的循環(huán)載荷，在可靠性評估中應充分考慮循環(huán)載荷對密封膠變形行為的影響。近日，鄭州大學的張軍教授團隊對循環(huán)加載條件下密封膠的力學行為展開實驗和理論研究。通過開展不同應變幅和平均應變的循環(huán)實驗來分析松弛應力、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：應力-應變響應曲線、松弛應力、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，研究了平均應變和應變幅對循環(huán)松弛應力、循環(huán)軟化變量和耗散能的影響（圖2）。然后根據(jù)循環(huán)載荷下密封膠的應力應變響應，提出相應的黏彈本構(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-卸載下的應力-應變響應以及循環(huán)應力松弛和軟化現(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確性。

圖2不同應變幅值下的循環(huán)拉伸實驗結(jié)果

基于熱力學原理的黏彈本構(gòu)模型已被用來描述聚合物的非線性力學行為，其基本思想是將線彈性變形與符合高聚物力學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-卸載之間應力應變曲線的不同形狀，本文提出了初始加載以及循環(huán)加載下各自的黏性應變增量函數(shù)，引入循環(huán)應力松弛函數(shù)以控制密封膠的松弛應力，進而構(gòu)建出可良好描述黏彈材料循環(huán)加-卸載的應力-應變響應以及循環(huán)應力松弛和循環(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-應力等效以獲取模型參數(shù)，計算獲得了密封膠在應變控制下的循環(huán)變形的應力-應變響應。理論與實驗結(jié)果對比（圖4）表明：材料的循環(huán)應力松弛和循環(huán)軟化在初始循環(huán)加載階段較為嚴重，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加而逐漸穩(wěn)定；應變幅對耗散能的影響比平均應變更顯著。理論計算的應力-應變曲線與實驗結(jié)果吻合良好，該模型可較好描述應力-應變響應在首圈加-卸載和循環(huán)加-卸載下的形狀差異。

圖4 不同平均應變下模型預測與實驗對比

在本研究中，所提出黏彈循環(huán)本構(gòu)并未討論循環(huán)周期對應力-應變響應的影響，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雜超彈特征，其在不同應力水平下的循環(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》。