一种胶接结构粘接层在高低温冷热循环条件下疲劳寿命的预测方法与流程

本发明涉及粘接层疲劳寿命测试领域，尤其涉及一种高低温冷热循环条件下胶接结构粘接层的疲劳寿命预测方法。
背景技术：
：空间环境下长期服役的航天器在低地球轨道运行期间需要反复进出地球阴影，在轨运行期间将遭遇环境温度在-170℃～200℃之间的交替变化。对于由不同热膨胀系数的多种材料构成的胶接结构而言，由于胶接结构中的各材料组元会通过胶接界面使彼此受到某种程度的约束作用，经过长期的热循环效应势必会在胶接结构内部产生热应力。而这种热应力的长期作用则会导致胶接结构内部产生微裂纹或使各层之间产生局部的界面脱粘破坏，从而使材料的机械性能和物理性能发生退化，最终对在轨航天器的稳定性、安全与寿命造成威胁。因此有必要对冷热循环温度载荷条件下的胶接结构粘结层的疲劳寿命进行表征。目前对结构件的冷热循环疲劳寿命的评价通常是将试件在无外力状态下进行多次高低温冷热循环实验，通过试件在室温条件下的剩余强度以及试件表面裂纹状态对结构件进行疲劳寿命预测；对于小尺寸电子封装材料，疲劳性能的表征也可将试件置于比实际使用条件更苛刻的条件下进行加速热循环实验从而达到减少测试和开发时间的目的。为了进一步缩短试验时间，一般会通过提高热循环试验的升降温速率的方式，利用加速系数经验模型来预测不同载荷条件下的疲劳寿命。然而，现有的这些方法主要利用液氮等低温介质获得低温条件以及电加热装置来获得高温条件，不仅成本高昂，而且极其耗时。虽然加速热循环试验能够更为真实地模拟真实工况，但是就温度载荷试验及其特定的装置而言，无论是从成本上还是从技术实现的难度上来说，都难以直接应用到材料空间环境下的疲劳寿命测试上。技术实现要素：为降低冷热循环测试成本，同时解决有关超低温环境下的关键技术问题，本发明利用有限元模拟计算胶接结构粘接层在冷热循环条件下的内应力，通过原位应变测试表征冷热循环条件下的最大应变，并对仿真模型结果进行验证，获得冷热循环过程中粘接层的最大热应力数据，从而将冷热循环温度载荷转换为等效的机械载荷，并在该等效机械载荷下对胶接结构粘接层进行剪切疲劳试验，实现对胶接结构粘接层在高低温冷热循环下疲劳寿命的低成本高精度预测。本发明完整的技术方案包括：一种胶接结构粘接层在高低温冷热循环条件下疲劳寿命的预测方法，其特征在于：首先利用有限元分析方法建立胶接结构粘接层的有限元热分析模型，根据材料的属性以及温度载荷输入得到粘接层在不同温度下的应变场输出，即温度载荷引起的粘接层内部应变变化及范围，通过原位应变测试表征冷热循环条件下的最大应变，并对仿真模型结果进行验证。在该限元分析和原位应变测试结果基础上，确定胶接结构粘接层在给定温度范围内的最大热应力，从而将胶接结构粘接层在冷热循环过程中的温度载荷等效转换为相同水平的机械应力载荷。在该等效机械载荷下对胶接结构粘接层进行剪切疲劳试验，从而实现对胶接结构粘接层在高低温冷热循环下疲劳寿命的快速、低成本、高准确性的预测。进一步的，所述温度载荷为由温度交变以及胶接结构材料组元热膨胀系数差异导致的粘接层间的应变响应，该应变响应采用有限元软件如abaqus计算得到。进一步的，所述胶接结构包括任何由胶黏剂粘接的同种或多种与粘接层具有不同性质的材料组元构成的结构件。进一步的，所述胶接结构包括任何由胶黏剂粘接的同种或多种与粘接层具有不同热膨胀系数的材料组元构成的结构件。进一步的，所述粘接层包括环氧树脂胶黏剂、硅橡胶等在内的任意粘接材料。进一步的，所述预测方法具体包括如下步骤：(1)胶接结构粘接层的高低温循环下的应变场分析及应力计算；(2)胶接结构粘接层的内部应变原位检测；(3)胶接结构粘接层剪切力学疲劳实验分析，获得该粘接层的s-n曲线，完成疲劳寿命评价。本发明相对于现有的高低温冷热循环疲劳寿命测试方法的改进之处在于：目前的高低温冷热过程均基于实验过程，通常试件要经过几十次至上百次的冷热冲击循环，该过程要消耗大量的低温介质，最重要的是实验周期极长且测试费用昂贵，同时无法准确预测长期寿命。本发明运用低成本高效率的有限元模拟分析方法代替复杂耗时及高成本的高低温冷热循环实验过程，并与力学疲劳实验结合实现对胶接结构粘接层在高低温冷热循环下疲劳寿命的预测。该方法不仅提高了测试效率还保证了测试结果的可靠性。具体包括：1.胶接结构粘接层在高低温循环下的应变场分析及应力计算；本技术方案中疲劳实验方法设计的关键是获得合理的疲劳载荷，使得界面处的应力与热载荷等效。利用有限元模拟胶接结构粘接层应变及其分布，并按结构参数计算其应力分布，从而将冷热循环温度载荷转化为等效的应力载荷。其中模型的建立、边界条件的设定、网格的划分及数量、以及材料属性和温度载荷输入等条件直接影响最终输出的可靠性和准确性。2.胶接结构粘接层内部应变的原位检测；为了保证该有限元模拟方式的普适性，本技术方案进一步利用在结构件粘接层中埋入光纤光栅(fbg)传感器的方式对结构内部应变进行原位精确检测，以验证有限元模型的可靠性。有限元模拟应力水平和实验测试值应具有较高的一致性，偏差小于10％。3.力学疲劳实验分析及寿命评价；长期的疲劳研究表明解析的方法无法有效地预测制品的结构寿命，制品的寿命估计只能通过对制品的疲劳试验数据分析获得；因此本技术方案将有限元仿真获得的应力水平作为等效冷热循环产生的应力水平进行疲劳性能测试，最终实现对胶接结构粘接层在冷热冲击温度载荷下的疲劳寿命的准确预测。附图说明图1是铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构(a)及其有限元热分析模型(b)。图2是铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构原位应变检测图。图3是铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构剪切疲劳测试试样的正视图(a)和侧视图(b)。图4是铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构的剪切疲劳寿命s-n曲线图。图中各附图标记：1-铝，2-环氧胶黏剂，3-光纤光栅传感器。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。1.铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构粘接层在高低温交变条件下的应变分析及应力计算；胶接结构粘接层的高低温交变应力有限元模拟按照有限元模型的建立、单元类型及网格划分、边界条件、载荷的施加、模拟初始温度的确定5个步骤来完成建模及确定初步的分析方法。在前期建立的模型的基础上，输入特定的材料属性及载荷工况条件，通过有限元分析得到胶接层在相应条件下的应变场输出。需要输入的材料属性包括：弹性模量e/gpa、泊松比ν、热膨胀系数α/10-6/℃。载荷工况输入为温度载荷，用来描述热残余应力和高低温循环产生的热应力。应变场的输出是给出不同温度下粘接层内部正应变(拉伸或压缩应变)和剪切应变，并给出最大应变，按照材料属性计算出其最大应力。2.胶接结构粘接层的内部应变原位检测；将光纤光栅传感器在胶接结构制造过程中埋入其中，以实现对结构内部应变的原位精确检测，并且对结构影响很小。最终得到光纤光栅测量点的应变分布，并给出最大应变出现的区域。这一部分工作是对有限元分析的有效性验证与修正，从而保证有限元模型的可靠性，并为胶接结构粘接层的疲劳试验设计和寿命评价奠定基础。3.通过胶接结构力学疲劳实验进行寿命评价；在前述冷热循环应力测试和有限元分析基础上，初步确定结构件粘接层的最大热应力，按照设定载荷为理论最大应力水平的0.5、0.8、1.0、1.2、1.5倍分别进行疲劳实验，获得能表征结构件疲劳寿命的s-n曲线，从而得到试样经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力值，即疲劳极限。实施例1：该实施例为铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构(图1a)。1.有限元模拟。依据上述实施方式建立胶接结构试验件模型并选取一个代表性体积单元进行有限元热分析模型，编号为modela(图1b)。模型上下表面为铝板，中间层为环氧胶黏剂。模型中间区域深色表示网格加密，为主要研究区域。有限元模型参数如表1所示。表1有限元模型参数模型编号长宽高(mm3)胶层厚度(μm)modela9*1*0.315150材料参数输入及结果输出分别如表2和表3所示。表2有限元模型输入材料参数材料热膨胀系数(10-6/℃)模量(gpa,25℃)泊松比铝18800.36环氧树脂胶5010.30表3有限元模型输出结果2.铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构粘接层应变原位测定(图2)。由图2中两个测试位点的光纤光栅传感器(fbg)测定的不同温度下的最大应变值以及与有限元模拟结果比较如下表4所示。表4光纤光栅传感器测定的不同温度下的最大应变值以及与有限元模拟结果比较由表4可以看出，fbg原位实验测试的铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构的最大应变出现在-120℃，大约为9854με。同时，fbg原位测试结果和有限元模拟结果匹配性很好，表明有限元模型所得数据有效且可靠。3.铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构粘接层剪切疲劳试验测试。在前述fbg原位测试冷热循环应力和有限元模拟基础上，可以初步确定该模型试验件的最大应变约为10000με，而所用环氧树脂胶的模量大约为1gpa，因此可以估算出环氧胶黏剂内部的热应力最大为10mpa。进一步测定该胶接结构(图3a为正视图，图3b为侧视图)在剪切疲劳测试应力水平为5.0、8.0、10.0、12.0、15.0(单位:mpa)下的循环次数。由不同应力水平下所测得试样剪切疲劳试验的循环次数做出的s-n(应力-寿命)曲线(图4)表明，该铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构可以循环12万次以上。换句话说，该铝/环氧胶黏剂/铝胶接结构能在120～-120℃冷热循环温度下循环12万次以上。本发明在极大地降低实验测试成本及缩短实验周期的基础上，保证了预测结果的准确性。除航空航天领域外，经受冷热循环环境的还有发动机、光学仪器、通用机械、船舶、汽车、动力机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件等诸多应用领域。所以本发明具有较为广阔的应用前景。尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。当前第1页12