基于有限元法的高分子材料套接胶接结构的研究与应用*

2022-07-13买雪媛王帆帆王国锋崔景强

化学与粘合 2022年3期

买雪媛，秦刚，李菲，陈琦，王帆帆，王国锋，崔景强

（1.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南新乡 453400；2.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454003）

引言

紫外光固化胶粘接几乎不会改变原有产品的结构及性能，对设备及工艺的要求较低，生产效率高易于自动化，一些常用的高分子材料如丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）等材质都为透明材质，均能透过紫外光。因此，采用紫外光固化胶粘接是医疗器械粘接解决方案中最安全、便捷的途径[1]。在粘接件中，常见的类型有搭接接头、对接接头、斜接接头及套接接头[2]，大多数粘接形式由以上几种类型单独或组合构成，其中在医疗器械连接中使用最多的是套接接头。

在汽车行业中，邵宇吉等[2]在粘接连接理论研究和力学分析的基础上，建立内聚力及解析模型对胶层失效过程中应力分布规律进行研究分析并对胶接接头强度的预测。邹田春等[3]使用数字图像法对单搭接接头进行拉伸实验，研究了不同搭接长度下胶接接头载荷随位移变化情况，并通过胶接接头断裂过程的分析，得出胶接侧面应变的分布及演化规律。在航天领域的研究中，伍鹏[4]使用矩形粘接结构，研究粘接件的应力应变曲线，其破坏由于粘接界面的脱粘造成，并通过分布反演与算法结合的方式获取界面参数。程凯[5]等对旋翼、胶层及胶接界面三者同时进行损伤模拟的研究，分析接头破坏过程中剥离应力及剪切应力的变化，同时研究了粘接宽度及厚度对粘接强度的影响。此外，还有研究人员对单搭接接头胶层间隙、胶粘剂的弹性模量、胶瘤的存在等因素对单搭接接头强度的影响进行了探究[6～8]。

然而，在以往研究中，研究人员通常在汽车或航天领域使用有限元方法进行粘接件的分析，而且往往研究的是单搭接的接头，对套接接头极少有见报道。套接是将一个被粘接件的末端插入另一被粘接件的内孔，并在末端重叠区涂胶进行粘接，如下图所示。此种接头受力情况好，胶接面积大，承载能力高，在医疗器械的小型连接件中使用较多。

图1 套接接头形式Fig.1 The socket bonding form

在本文中，首先构建套接胶接接头的有限元模型，然后使用医疗器械中常用的三通配件与管型配件的粘接件进行仿真模拟，对胶接接头的破坏形式作出损伤预测。

1 实验部分

1.1 实验原料

紫外光固化胶，医用级（牌号CN011），戴马斯中国有限公司；甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（MABS），医用级（牌号POLYLAC PA-758），奇美宝业有限公司；聚氯乙烯（PVC），医用级（牌号8513），深圳恒方大高分子材料科技有限公司。

1.2 试验仪器

EUT6502 型电子万能试验机，深圳三思检测技术有限公司；UV-LED（XYUV-4Ⅱ）面光源固化机，深圳市海特奈德光电科技有限公司。

1.3 试验制备

根据标准《GB/T 7124-2008 胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料对刚性材料）》，设计制作了MABS 材料的单搭接粘接接头，尺寸如图2 所示，被粘物长宽均为25mm×100mm 搭接长度为12.5mm，夹具两端距离为50mm。

图2 测试接头示意图Fig.2 The schematic diagram of test joint

将试片平放，使用胶刷在预定粘接部位涂胶。粘贴透明胶带以控制粘接面积，在粘接面上平行于拉伸方向放置2～3 根直径为0.11mm 的铜线以控制胶层厚度在0.1mm 左右。使用酒精和纱布适当清洁粘接面，涂覆胶粘剂将试片贴合后用燕尾夹固定，先使用点光源固化部分胶层以固定试片，再去掉燕尾夹使用面光源完全固化。

1.4 有限元模型的建立

内聚力模型的概念在1960 年由Dugdale 及Barenblatt[9]提出，用以模拟胶粘剂在弹性阶段和在达到屈服应力后退化破坏阶段的力学性能。借助于ABAQUS 搭建套接接头内聚力有限元模型，胶层的网格单元属性设置为Cohesive 内聚力单元（COH3D8）[10]，需要特别注意的是要设定胶层网格单元的堆叠方向，管型配件，三通配件的网格单元属性设置为三维八节点线性减缩积分实体单元（C3D8R）。在三通配件非胶接一侧底端进行结点固支约束，管型配件夹持端设立参考点，在参考点均匀施加位移载荷。

在ABAQUS 中导入三通、胶层及管体的CAE模型，使用TIE 约束将三者相连，同时定义胶层元素方向。为避免接触运算错误，将管体及三通粘接部位设置为硬接触。最终有限元模型效果如图3 所示。

图3 有限元模型效果图Fig. 3 The effect picture of finite element model

在本研究中，对胶层内聚力单元采用了牵引-分离定理，该定理在宏观上描述了牵引力与位移的关系，用于描述当牵引力达到最大临界值后材料的刚度退化和结构失效。ABAQUS 采用的胶合初始损伤判断准则常用的有最大名义应力准则和二次应力准则。

二次应力准则较为保守，本研究选择二次应力准则作为失效准则[11]，如式（1）所示。

式中：Gn、Gt、Gs分别表示由法向和两个切向牵引力做功释放的能量（N·mm-1）；Gnc、Gtc、Gsc表示对应的断裂能（N·mm-1）。

由于粘接的两个配件在拉伸过程中会出现较大位移，在分析步设置中勾选几何非线性，分析步的步长较大会使得对失效载荷模拟的准确度降低，因此将最大增量步及初始分析步减小到合适数值。

1.5 测试及计算

使用制备的单搭接接头，使用电子万能试验机对接头进行15mm/min 拉伸速度的准静态拉伸试验，如图4 所示。通过试验测试获得胶粘剂拉伸剪切的失效载荷及失效位移，重复3 次取平均值。

将所测得的失效载荷使用经验公式进行计算，得到胶层粘接性能的相关参数。在邹田春等基于DIC 对单搭接接头进行拉伸实验，研究不同搭接长度下载荷-位移曲线，研究者所用研究对象的胶层长宽厚为20mm×25mm×0.2mm，通过对断裂过程及破坏特征变化分析，在20mm 搭接长度及以下的搭接接头在拉伸过程中弯曲效应不明显，剥离力相较于受剪切力作用非常小，表明在上述条件下破坏主要由剪切作用所致。而在本实验中胶层厚度仅有0.1mm，且胶层长度仅为7mm，因此在计算时，仅考虑剪切方向的粘接强度。

2 结果与讨论

2.1 套接胶接结构粘接受力及失效分析

在结构胶粘接接头拉伸力学试验中，当胶层一旦出现损伤及胶层某些地方开始失效后，就会造成应力集中导致整个胶层在短时间内完全失效，所以胶层的分离过程很难直接观察，因此，在实际中难以对粘接接头的失效进行分析研究。有限元方法为接头的失效提供了一种研究方法，当胶层的失效状态变化时，胶层的SDEG 数值也会随之改变，由此可更加清晰直观地了解到粘接接头的失效过程[12]。

对SDEG 参数在拉伸力学实验中的变化进行监测，变化情况如图5 所示。图中，接头的失效情况由不同的颜色较为直观地表现，浅色代表该部分胶层接近完全失效，深色代表该部分胶层还未开始失效。胶层的端部首先出现失效（SDEG=1），随着粘接配件相对位移的增加，SDEG=1 的部位由上部到下部逐步推进，完全失效占比的区域扩大到整个胶层，此时接头两个配件完全分离。

图5 胶层SDEG 参数显示情况Fig.5 The SDEG parameters display of adhesive layer

在PVC 管体和三通配件的套接粘接件实例中应用SDEG 参数对胶层进行详细分析。可以从模拟图看出，开始时胶层前端先开始损伤，后端损伤程度较轻。随着损伤进一步加强，前端胶层发生损伤失效，后端胶层开始损伤，按此规律逐层递推，最终胶层全部失效。

2.2 三通配件粘接受力分析及强度预测

先将管体及三通配件进行清洗，彻底去除表面油污杂质，随后将适量胶粘剂涂于管体顶端，缓慢旋转插入后在365nm 波段固化机中完成固化。在标准环境中调节2h 后，使用电子万能试验机测试其失效载荷。共进行10 个试样的测量，平均失效载荷为90.56N。对PVC 管体材料赋予超弹性材料性质，在管体前端设置参考点进行位移加载，最终模拟出的失效载荷为91.48N，模拟准确度达到98.99%，其载荷随位移变化曲线如图6 所示。

图6 载荷-位移曲线对比Fig.6 The comparison of load-displacement curves

从以上对比图可以看出，仿真模拟失效载荷数值要稍微高于实际的测试数据，可能是由于在实际粘接过程中会出现某些缺陷导致胶层性能未完全发挥出来。在此载荷-位移曲线图中，影响位移变化的主要是PVC 管体的变化，而进行模拟时，由于高分子材料力学行为随温度及时间变化的依赖性较高，导致测试与实际模拟有一定偏差，使得在该曲线对比图中模拟载荷与实际测量载荷不能完全一致。

从应力云图可以看出，当管体开始拉伸时，管体受到较大应力，其次为胶层以及三通配件前端受到较大应力；当胶层开始出现失效后可看到三通配件前端应力开始降低，失效部位所受应力显著降低，说明在失效后该部分胶层已无法承受载荷，同时可承受载荷的部分主要集中于后端，这从三通中间部位的应力分布情况也可以加以验证。

将测试样品实际拉伸过程进行记录，与软件模拟进行对比，见图7。