基于直接法的短纖維增強熱塑性塑料端部切口彎曲試驗的II型內聚力律的驗證

在工業輕量化趨勢下，短纖維增強熱塑性塑料因其易加工、成本低的優勢，應用日益廣泛。在多結構設計的應用中，需將短纖維增強熱塑性塑料與其他材料進行粘接，而如何準確有效地預測其粘接接頭的強度，以確保結構的安全成為亟需解決的問題。針對這一問題，日本慶應大學的Masaki Omiya提出了利用直接法計算兩種（Based on J, Based on G）J積分值以獲取內聚力模型（CZM）參數，并基于此方法開發了一種預測使用短纖維增強熱塑性塑料作為被粘件的粘接接頭強度的方法，為相關產品的設計與性能評估提供了更精確的工具。

圖 1 端部切口彎曲（ENF）試驗示意圖及分析參數說明

本文通過端部切口彎曲（ENF）試驗來模擬接頭在剪切力作用下的II型失效過程。被粘件為短纖維增強熱塑性塑料，粘接劑為環氧樹脂，在進行試驗之前采用激光燒蝕處理被粘件表面，使用金屬薄膜和特氟龍膠帶來控制膠層厚度并預制初始裂紋。試驗過程中采用位移控制的方式進行三點彎曲加載。最后結合分析所得的CZM參數進行有限元分析（圖2），以驗證本文所用方法的正確性。

圖 2 ENF試驗有限元分析的邊界條件和網格模式

研究人員利用ENF試驗數據考慮了II型斷裂J積分的兩種不同形式：一種考慮了被粘件塑性變形所消耗的能量（Based on J），另一種則假定被粘件為純彈性（Based on G）。他們分別基于這兩種J積分推導出了兩組不同的CZM模型參數（圖3），并將這兩組參數代入到有限元分析中，得到了ENF試驗有限元分析的載荷-位移曲線。將ENF試驗的實驗數據與有限元結果做對比，結果表明，基于純彈性假設的J積分所推導出的CZM參數能更準確地預測粘接接頭的實際強度。

圖 3 基于兩種不同形式的J積分所得的CZM參數

圖 4 ENF試驗載荷-位移曲線的實驗數據和有限元結果對比

綜上所述，本文開發了一種用于預測短纖維增強熱塑性塑料作為被粘件的粘接接頭強度的方法。通過直接法分析ENF試驗的實驗數據得到兩種假設下的CZM參數， 然后基于所得的兩組CZM參數分別進行有限元分析，并將模擬的載荷-位移曲線與實驗結果相對比，發現在使用低剛度的增強熱塑性材料(如短纖維增強復合材料)的粘接接頭中，基于純彈性假設下的直接法預測得到的粘接接頭強度參數與實際情況更相符。本文的工作為在粘接系統中獲得CZM參數以建立CZM模型提供了新的思路。

相關研究論文以“ Validation of mode II cohesive law obtained using the direct method with short-fiber-reinforced thermoplastic adhesively bonded end-notched flexure joints"為題發表在《Engineering Fracture Mechanics》。