《Polymer Testing》：A systematic experimental and numerical framework for rate-dependent nonlinear interfacial damage modelling of adhesive joints across normal and shear loading modes
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摘要翻译：
结合对接接头拉伸试验（BJT）与单搭接试验（SLJ），探究了复杂的界面断裂行为。建立了统一的率相关割线刚度牵引-分离模型。校准后的模型展现出从相似接头向相异接头预测的可迁移性。
摘要翻译：
结合对接接头拉伸试验（BJT）与单搭接试验（SLJ），探究了复杂的界面断裂行为。建立了统一的率相关割线刚度牵引-分离模型。校准后的模型展现出从相似接头向相异接头预测的可迁移性。
**论文解读文章**
**研究背景与现存问题**
粘接技术因可在轻量化结构和高集成度电子产品中实现高效连接而被广泛应用，但粘接区域往往是结构失效的易发部位，因此对粘接界面的力学行为进行可靠的实验表征与预测建模至关重要。界面力学响应受胶粘剂类型、被粘物材料、加载模式及加载速率等多因素耦合控制，其中加载模式从根本上决定了界面变形机制——界面相对位移可分解为法向与切向分量，因此需要法向拉伸与剪切两类试验共同表征。现有研究通常将拉伸与剪切行为分开报告，缺乏统一实验框架；同时大多数粘聚区模型（CZM）采用预设的牵引-分离规律（TSL）且为率无关形式，难以描述聚合物胶粘剂显著的时间相关行为，也缺乏从相似接头参数标定向相异被粘物组合预测迁移性的系统性验证。为此研究人员提出了将多速率法向/剪切表征、无需预设解析形式的率相关数值割线刚度（NSS）建模及相异接头验证整合于一体的研究框架。
**研究内容与结论概述**
本研究以压力敏感胶粘剂（PSA，TESA 75230_H，德国汉堡）和聚氨酯热熔胶（PUR，H.B. FULLER EH9652BH，美国明尼苏达州）为对象，选用聚碳酸酯（PC）、油墨涂层聚碳酸酯（InkPC，InkPC3200）和油墨涂层玻璃（InkGlass，EF5312H）三种被粘物，通过对接接头拉伸（BJT）试验表征法向界面响应、单搭接接头（SLJ）试验表征剪切主导界面响应，并在多个标称应变率（如0.05、0.5和5 /s）下开展测试。研究人员构建了率相关NSS界面本构模型，仅采用相似接头试验数据标定参数，随后将其用于预测PC-PSA-InkPC和PC-PUR-InkGlass两组相异接头在中间应变率下的响应，验证了模型的迁移能力。论文发表在《Polymer Testing》。
**主要关键技术方法**
本研究采用的主要方法包括：①互补实验框架——BJT试验结合SLJ试验，在25°C下用Instron 5967万能试验机完成多速率法向拉伸与剪切测试；②率相关NSS本构模型——损伤前法向采用对数线性有效模量、切向采用六阶多项式描述非线性弹性，损伤后通过离散损伤变量驱动的割线刚度退化表征软化；③混合模式二次名义应变损伤准则；④通过Abaqus/Explicit用户子程序VUMAT将模型植入三维粘聚单元（COH3D8）；⑤相似接头参数识别后外推预测相异接头响应，采用平均曲线归一化均方根误差（MC-NRMSE）与包络归一化均方根误差（Env-NRMSE）评价精度。
**研究结果**
**3.1 实验结果**
通过不同加载模式和应变率下的名义应力-应变测试发现，PSA与PUR接头在拉伸和剪切下呈现明显不同的变形与失效特征；峰值强度和损伤演化对加载模式高度敏感。同种胶粘剂配合不同被粘物时，接头响应出现系统性变化，PUR接头差别尤为显著，说明力学行为由胶粘剂与被粘物共同决定。各模式下的刚度和强度均随应变率提高而增加，呈现明确的率敏感性。
**3.2 率相关数值割线刚度（NSS）本构模型**
将胶层等效为三层结构——上下界面层与中间背衬层，界面变形集中于界面层。NSS框架将响应分为损伤前均匀变形阶段与损伤后刚度退化阶段：法向均匀阶段视为线弹性，弹性模量随应变率对数线性变化；切向均匀阶段用六阶多项式表征非线性弹性。损伤起始后引入离散损伤变量和数值割线刚度，按载荷模式分别退化法向和切向刚度。混合模式损伤采用二次名义应变准则，并满足不可逆条件。模型在Abaqus中用VUMAT实现。
**3.3 参数识别**
对法向拉伸数据，采用固定偏移线法确定损伤起始点和各损伤等级对应的退化应变；对剪切数据，以峰值点定义损伤起始，将不同应变率曲线映射到归一化空间进行多项式拟合和退化刚度识别。模型参数率相关函数通过分段线性插值构建，最终仅利用相似接头数据完成全部标定。
**3.4 数值实现**
建立了BJT与SLJ三维有限元模型，界面层用COH3D8粘聚单元、背衬层与被粘物用C3D8R实体单元，被粘物设为刚体。对相异接头，引入有效本构厚度对应变率进行归一化，使局部粘聚应变率与预设参考应变率一致。相异接头模型中，上下界面层分别赋予其对应相似接头的界面参数。
**3.5 模型预测与实验对比**
将标定后的模型用于预测两组相异接头在0.05、0.5和5 /s应变率下的拉伸与剪切响应。结果显示，预测曲线与实验曲线在初始刚度、峰值强度、非线性软化趋势和失效应变范围上总体吻合，MC-NRMSE多为5%-20%量级，峰值应力相对误差大多小于15%。与预设双线性牵引-分离形式的NSS-BL模型对比表明，NSS模型能更完整地重现非线性加载、平台行为和软化演化，说明无需预设解析形式的建模方式具有优势。
**讨论与结论总结**
讨论指出，尽管模型参数仅由相似接头标定，仍能预测相异接头在多应变率下的响应，验证了框架在考察构型与应变率范围内的迁移能力。但当前验证仅限于BJT和SLJ构型、特定粘接体系和0.05–5 /s范围；混合模式准则基于独立的法向与剪切识别结果构建，强耦合混合模式加载路径的专门验证尚待开展；模型限于单调加载，率历史效应和严格的网格/能量客观性也需要进一步评估。结论部分翻译如下：本研究系统考察了PSA和PUR粘接接头在法向与剪切界面加载模式下、宽标称应变率范围内的界面力学行为。将对接接头拉伸（BJT）试验与常规单搭接接头（SLJ）试验相结合，建立了覆盖两种主导界面加载模式的实验框架，用于统一表征和标定法向与剪切响应。实验结果显示PSA和PUR接头均具有明显应变率敏感性，有效刚度与峰值强度随标称应变率近似对数线性增长。尽管法向与剪切模式下变形和失效特征不同，实测响应仍可在统一的数值割线刚度（NSS）框架内描述。该框架通过用户定义VUMAT在Abaqus中实现并经过有限元仿真验证，形成了从界面测试到数值预测的完整工作流。虽然模型参数仅用相似接头数据标定，校准后的框架仍能预测相异接头在多应变率下的响应，在本文考察的接头构型和加载条件下证明了预测能力。总体而言，本研究建立了粘接接头界面测试、参数识别、本构建模与有限元预测的集成框架，为涉及不同胶粘剂体系和被粘物组合的粘接结构率相关界面强度、损伤与失效分析提供了有效途径，可作为粘接系统界面力学与可靠性评估的参考。
