隨著工業制造業對結構輕量化需求的日益增加，軟粘接劑在汽車、航空航天和電子設備等領域的應用日益廣泛。軟粘接劑在循環加載工況下的疲勞失效將顯著影響粘接結構的安全使用?？紤]到軟粘接劑往往表現出顯著的黏彈性，研究黏彈性軟粘接劑在復雜路徑多軸循環加載下的變形對粘接結構的抗疲勞設計和安全評估具有重要意義。近日，鄭州大學張軍教授團隊開展了具有黏彈性的改性聚氨酯軟粘接劑HP-172B在單軸拉伸及雙軸多路徑應力控制循環加載工況下的變形行為的實驗研究（圖1），并建立了可描述上述復雜變形的循環本構模型。

圖1 雙軸加載路徑示意圖：(a) 比例路徑；(b) 菱形路徑；(c) 環形路徑；(d) 橢圓形路徑。

      本研究首先制備了啞鈴狀改性聚氨酯軟粘接劑試樣，并開展了單軸拉伸循環實驗。如圖2所示，具有黏彈性特性的軟粘接劑在循環加載下發生了持續的循環蠕變及棘輪應變累積。隨著循環次數的增加，軟粘接劑發生了循環軟化并伴隨著耗散能的逐漸減少。為描述該演化規律，本研究提出了一個非線性黏彈性本構模型，該模型考慮了材料黏彈特性，基于唯象的Kelvin模型和Maxwell模型，構建了包含應變累積函數和斜率函數的數學表達式以預測材料在循環加載下的棘輪應變累積及循環軟化行為。

圖2 單軸加載循環試驗的結果

圖3 不同加載路徑下軟粘接劑的應變響應曲線

      考慮到實際服役中軟粘接劑可能還需要承受雙軸循環加載，因此，本研究進一步開展了考慮復雜加載路徑的雙軸拉伸循環加載試驗。相較于單軸循環加載，非比例加載路徑會導致更顯著的棘輪應變累積，且棘輪應變的演化規律與加載路徑強相關（圖3）。在非比例循環加載工況下，不同方向上的拉伸變形導致分子鏈間相互作用改變，使分子鏈的黏性恢復相較于比例加載更困難最終表現為不同的棘輪應變累積規律。此外，不同加載路徑下軟粘接劑表現出不同的耗散能演化規律，非比例加載路徑對應的初始耗散能和總耗散能均高于比例加載路徑，這表明非比例加載路徑可能對材料造成的損傷更大。為描述復雜加載路徑下的材料變形，本研究通過引入加載路徑系數發展了一個雙軸多路徑循環本構模型。該模型通過調整加載路徑系數描述不同加載路徑對材料棘輪應變的額外影響，從而準確預測雙軸循環加載工況下的力學響應（圖5）。

圖4 不同加載路徑下棘輪應變和耗散能隨循環圈數的演化

圖5 雙軸多路徑循環加載條件下模型計算與試驗結果對比

      綜上所述，本研究重點關注了軟粘接劑循環變形過程中不同加載路徑工況下棘輪應變、循環軟化與材料損傷的關系，該研究結果有助于軟粘接結構的抗疲勞設計和開發。值得一提的是：本研究將加載路徑系數視為一個僅與加載路徑相關的參數，而實際上，此參數可能與循環圈數相關。通過考慮循環圈數對加載路徑系數的依賴性，并對其進行相應的修正，可進一步提高理論預測的精確性。

      相關研究論文以“Investigation on the ratcheting strain and cyclic softening of viscoelastic soft adhesive under uniaxial and biaxial cyclic loadings"為題發表在《International Journal of Fatigue》。