单搭接接头蠕变失效机制研究：基于随机场与非线性有限元的概率分析

为解决粘接接头在长期载荷下的蠕变失效问题，研究人员采用非线性FEA(有限元分析)和随机场方法，建立了单搭接接头的概率模型。研究揭示了材料缺陷对蠕变行为和接头承载能力的影响规律，发现特定缺陷分布反而能提高接头强度。该研究为粘接结构可靠性评估提供了新方法，成果发表于《International Journal of Engineering Science》。

　　

在现代工程结构中，粘接技术因其应力分布均匀、重量轻等优势得到广泛应用。然而，粘接接头在长期载荷作用下会出现蠕变现象——材料随时间发生缓慢变形，最终导致结构失效。这一现象在航空航天、汽车制造等领域尤为突出，但传统研究多集中于静态载荷下的失效分析，对时间相关的蠕变行为缺乏系统认识。更关键的是，实际粘接层不可避免地存在孔隙、杂质等材料缺陷，这些随机分布的缺陷如何影响蠕变过程，至今仍是未解难题。

针对这一科学问题，来自波兰波兹南理工大学和格但斯克理工大学的研究团队开展了一项创新性研究。他们以铝制单搭接接头为对象，采用3M Scotch DP490环氧树脂作为粘接材料，通过实验与数值模拟相结合的方法，首次将随机场理论引入粘接接头蠕变分析中。相关成果发表在《International Journal of Engineering Science》上，为工程结构的长期可靠性评估提供了新思路。

研究主要采用了三项关键技术：1）基于Bailey-Norton定律的时间硬化模型描述粘接材料蠕变行为；2）采用COH2D4单元建立粘聚区模型(CZM)模拟界面失效；3）应用非相关随机场方法量化材料缺陷的空间分布。实验方面，团队通过拉伸测试获取材料参数，并利用专用蠕变试验机进行长期观测。

研究结果部分：

1. 蠕变模型验证
   通过对比实验数据与数值模拟，验证了时间幂律模型(Time Power Law Model)的准确性。该模型参数确定为：参考应变率ε₀
   =0.00175 s^-1
   ，应力敏感指数n=2，时间敏感指数m=-0.3。模型能解释96%的实验数据变异(R²
   =0.960)。

2. 静态载荷下的缺陷影响
   研究发现接头承载能力与缺陷比例并非简单线性关系。当缺陷比例在28%和42%时，某些随机分布的缺陷布局反而使接头强度高于理想无缺陷情况。这表明缺陷的空间分布对力学性能具有重要影响。

3. 蠕变过程中的裂纹扩展
   在3 kN恒定载荷下，裂纹深度随时间演变呈现显著差异。无缺陷接头在300秒内出现3 mm深裂纹，而含10.5%缺陷的接头中，部分样本裂纹扩展速度反而更慢。这种"缺陷诱导强化"现象首次在蠕变条件下被观察到。

4. 应力应变场演化
   通过对比完整接头与含10.5%缺陷接头的应力分布，发现缺陷改变了应力传递路径。在部分样本中，缺陷区域形成"应力屏蔽"效应，延缓了主裂纹的扩展。

研究结论与讨论：

该研究建立了首个耦合随机缺陷与蠕变行为的粘接接头分析框架，主要有三大理论突破：首先，证实了材料缺陷对蠕变寿命的影响具有双重性——既可能加速失效，也可能通过优化应力分布提高耐久性，这取决于缺陷的空间构型。其次，提出了基于Weibull分布的缺陷量化方法，为工程实践中的质量评估提供了新指标。最后，开发的数值模型在保证精度的同时保持计算效率，单个模拟在高端工作站上仅需1小时。

这项研究的工程意义在于：为粘接结构的设计和维护提供了更可靠的评估工具。特别是在航空航天领域，该方法可用于预测关键连接部位在长期服役中的性能退化。此外，发现的"缺陷诱导强化"现象启示我们：通过主动调控缺陷分布，可能开发出新型抗蠕变粘接工艺。未来研究可进一步探索温度、湿度等多场耦合条件下的失效机制，以完善该理论体系。

值得注意的是，团队采用的随机场方法虽然简化了实际缺陷的复杂性，但通过实验校准确保了工程适用性。正如作者指出，当缺陷比例超过56%时，所有样本均在加载初期失效，这一阈值对质量控制具有重要指导价值。该成果不仅填补了粘接力学研究的空白，也为随机力学理论在工程实践中的应用开辟了新途径。