【摘 要】
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相比于铆接、焊接等传统的机械连接技术,胶接技术具有许多优势,如轻质、经济、更均匀的应力分布等。因此,胶接技术在航空、汽车、电子和建筑等领域广泛应用。界面通常是胶接体系中最薄弱的地方,其变形及失效行为直接影响到体系的整体性能。大量的实验结果表明当胶层厚度从宏观尺度减小到微米尺度时,胶接体系界面的刚度、强度和临界能量释放率表现出显著的尺度效应。由于传统连续介质力学本质上是与尺度无关的,因而它无法刻画这
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相比于铆接、焊接等传统的机械连接技术,胶接技术具有许多优势,如轻质、经济、更均匀的应力分布等。因此,胶接技术在航空、汽车、电子和建筑等领域广泛应用。界面通常是胶接体系中最薄弱的地方,其变形及失效行为直接影响到体系的整体性能。大量的实验结果表明当胶层厚度从宏观尺度减小到微米尺度时,胶接体系界面的刚度、强度和临界能量释放率表现出显著的尺度效应。由于传统连续介质力学本质上是与尺度无关的,因而它无法刻画这些尺度效应。而高阶连续介质力学如应变梯度理论则能够做到这一点,这是因为其引入了反映材料微结构特征的内禀长度。本文基于弹性应变梯度理论和相关断裂准则,对宏/微观胶接体系界面的变形及断裂行为展开了系统的研究。相关研究结果能为胶接体系界面的强韧化设计提供指导。本文的主要研究内容及结论总结如下:(1)在土木工程中,纤维增强复合材料板常常通过胶层粘接到混凝土结构上,以实现结构加固。通过对胶层变形的简化并假设两被粘物的曲率相等,前人求得了这类薄板/主梁结构中界面应力的近似解析解。通过放弃两被粘物等曲率的假设,我们求得了界面应力和整体刚度的严格解析解。当两被粘物的厚度相当时,该严格解析解显著改进了前人的近似解析解。并且该严格解析解揭示了薄板和界面性质对界面应力和整体刚度的影响规律。(2)胶接的硬膜/软基体系在柔性电子器件中十分常见,而界面脱粘是其主要的失效模式之一。为了刻画硬膜/软基体系的界面脱粘过程,我们提出了基于双线性内聚力模型的二维理论模型。其中,将基底视为弹性半平面使得界面剪应力出现在控制方程的奇异积分项中。通过将其展开为第一类切比雪夫多项式并采用配点法,我们可求得界面剪应力。借助前人的实验结果和有限元模拟,该模型的解答得到了有效验证。结果表明该模型既能描述描述包括界面弹性变形和软化在内的脱粘全过程,也能捕捉到基底的非均匀变形。当薄膜模量增加时,对应于脱粘起始的远场应变先减小然后趋于稳定。(3)微尺度胶层在柔性电子、微机电系统等领域广泛应用。通过利用弹性应变梯度理论刻画胶层的变形,我们建立了预测宏/微观胶接体系变形行为的跨尺度力学模型。结果表明当胶层厚度与胶层内禀长度(通常在微米尺度)相当时,界面面力显著增加而被粘物的位移显著减小。同时,被粘物的位移对于胶层的模量不再敏感。这些结果表明受约束状态下微尺度胶层中的应变梯度能显著提高胶接体系的界面刚度。(4)大量的实验结果表明当胶层厚度由毫米量级减小到百微米量级时,胶接体系的界面强度显著增加。为表征圆柱形斜接试样依赖于胶层厚度的界面强度,我们提出了基于弹性应变梯度理论和名义应变断裂准则的跨尺度力学模型。该理论模型预测的界面强度与前人的实验结果符合较好。当胶层厚度固定而斜接角度不同时,界面拉伸强度与界面剪切强度大致位于一段圆弧上,而临界名义拉伸应变与名义剪切应变位于一个椭圆上。当胶层厚度减小时,分别表征界面强度和临界名义应变的圆和椭圆均向外扩张,这表明应变梯度效应增强使得界面强度和临界名义应变增加。该研究揭示了应变梯度在提升微尺度胶接体系界面强度中的重要作用。
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