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分析表面粗糙度、空隙率和颗粒-基体界面的影响和异种胶粘剂失效响应的研究
印刷：2018年12月
DOI: 10.13140/RG.2.2.28430.82243
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4个作者：
Bowen Liang Anand Nagarajan
俄亥俄州立大学 俄亥俄州立大学
出版物：10 引用：40 出版物：12 引用：32
Hossein Ahmadian Soheil Soghrati
俄亥俄州立大学 俄亥俄州立大学
出版物：10 引用44 出版物：49 引用：557
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项目：复合锂离子电池电极微结构视图的自动计算设计
项目：碳纤维增强复合材料视图工程的计算设计
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分析表面粗糙度，空隙率，以及异种胶粘剂的失效响应
博文良加，阿南德纳加拉贾纳，侯赛因·艾哈迈迪安，苏海尔索格拉蒂亚，c，*
a美国俄亥俄州立大学机械与航空航天工程系
b美国俄亥俄州立大学集成系统工程系
C美国俄亥俄州立大学材料科学与工程系
摘要
介绍了一种将微观结构与非均匀胶的微观力学行为联系起来的自动计算框架
环氧树脂基体和嵌入二氧化硅颗粒。采用一种新的重建方法algo-rithm合成了该材料的三维周期性微观结构模型基于形态统计数据的材料系统显微计算机断层图像。提出了一种非迭代网格生成算法，将生成的虚拟微结构转化为有限元模型。连续体的延展性和内聚性用实验数据标定了用于模拟胶粘剂失效响应的损伤模型，确定了统计代表体积el（SRVE）。然后我们进行了几次高保真用有限元模拟方法研究粘结层中预先存在的空洞、被粘物表面粗糙度和粘结强度的影响胶黏剂失效反应的颗粒-基体界面拉伸、压缩和剪切荷载。
关键词：非均质胶粘剂，有限元，微观结构
重建，内聚损伤，表面粗糙度，
*通讯作者：机械和航空航天工程助理教授
amp;材料科学与工程，俄亥俄州立大学，西19大道201号，
哥伦布，俄亥俄州43210，美国。
电子邮箱：soghrati.1@osu.edu（Soheil soghrati）
提交给爱思唯尔的预印本 2018.12.3
1.介绍
粘合是传统连接技术（如焊接和铆接）的一种可行替代方法，它具有降低应力集中、高耐腐蚀性、水密性和连接薄材料和不同材料的能力[1，2，3]。后者的特点是对轻型结构的设计至关重要，这促进了轻型结构的使用在过去的几十年中[4，5]。例如，在制造车身外壳，装配车窗，挡风玻璃，以及室内覆层[6，7]。结构粘合剂也被用来粘合机机身和机翼结构蒙皮的桁条[8]。异质性，如硬颗粒（如玻璃和二氧化硅）[9]、橡胶[10]和碳纳米管[11可以嵌入到这种粘合剂中，以改善其断裂韧性，并提供多功能性（例如导电性[12]和自愈能力[13]）。注意，粘合层的机械性能在很大程度上取决于其微观结构特征，包括异质性的类型、形状、体积分数和空间排列，以及它们与周围聚合物基质[9]。此外，附着表面的制备及其粗糙度对失效响应有显著影响胶粘接头的数量[14]。
模拟胶接接头失效响应的挑战之一是胶接层的厚度很小（通常只有几百微米[15]）与结构的其他特征长度标度相比。特征长度标度之间的这种不匹配，禁止使用必须更换粘合剂零厚度单元层，采用粘聚区模型（CZM）进行宏观有限元模拟[16，17]。然而，CZM的实施需要确定一个合适的牵引分离定律，该定律描述了粘合层。一些现象学和数学上简化的共同犹豫模型，如多项式[18]、双线性[17]、指数[18]和梯形[19]模型可用于此目的。然而，这种模型并不保证本构关系主体的一致性混合模式加载[20]。为了解决这个问题，我们可以提出一个基于势的内聚模型，其中牵引分离定律基于能量势函数[21，22，23]进行评估。关键的2个文献[20]回顾了各种CZMs的优点和局限性。
为了确定微观结构对牵引分离规律的影响，我们进行了几项实验研究，以表征
CZM中结构胶的失效响应。在这些努力中，我们可以提及接头厚度、载荷类型和固化温度对聚乙烯基断裂韧性影响的研究嵌入玻璃纤维的环氧粘合剂[24]。川口和皮尔逊
[25，26]研究了含水量和颗粒基质和粘合强度对玻璃颗粒增强环氧基胶粘剂力学性能的影响。充银材料失效响应的研究高温高湿导电胶见[12]。此外，还通过实验验证了不同设计和制造参数（如引入异质性[27]、操作环境[28]和表面胶粘剂失效反应的处理[29,30]。
与实验研究不同，只有有限的计算量
我们已经研究了微观结构和结构胶的失效反应。多尺度方法[31，32]可以通过指定一个具有代表性的体积元素来进行此类分析（RVE）到宏观模型的每个点并模拟在微观尺度上评估相应本构行为的行为[33]。在多尺度有限元分析中，FE2方法[31，34]是一种最流行的技术，在这种技术中，将宏观模型离散化的元素的每个四分之一点的应力状态通过模拟相应RVE的失效响应。最近，ho mogenization定理被用来推导将微观结构与损伤过程联系起来形成的薄粘合层[35，36，37，38]。还进行了完全耦合的FE2多尺度分析胶粘接头的失效响应近似值[39，40]，尽管在建模时，这种方法可能对计算要求很高异种胶粘剂的复杂三维微观结构。
必须注意的是，RVE的概念是在[41，42，43]中引入的作为一个小的代表体积，其中材料的体积平均值性质与宏观物体相似。但是，由于局部形貌和材料特性的扰动，特别是局部性质，如塑性和损伤[44]，违反了上述文献中认为微观结构由周期性重复的非均匀性阵列组成的假设。因此，统计RVE（SRVE）的概念已经在一些工作中被使用（例如，[44，45，46，47]）来评估宏观分析中的同质化特性。在这一背景下，我们采用统计方法来确定SRVE的存在性，并确定其最小特征长度尺度。
精确预测CZM中的牵引分离规律需要
结合粘合层的真实微观结构特征有限元模型。利用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）等数字化数据，可以对胶粘剂的微观结构进行表征[48]和微型计算机断层扫描（micro-CT）图像[49]。这些数据可以在执行所需的图像后直接转换为有限元模型处理步骤（噪声过滤、平滑、分割等），然后一个协调的网格的构造。但是，对于复杂的粘合剂含有任意形状颗粒和预先存在缺陷的微结构例如，空隙），识别成像数据中的所有材料界面，以建立真实的微观结构模型通常是一个主要的挑战[50]。即使在案件中成功地克服了这些挑战过程只提供一个单一的有限元模型，不适用于集成计算材料工程（ICME）等应用这就需要对不同的微观结构进行多重模拟。
直接基于图像的建模的另一种方法是利用重建算法，根据从数字数据中提取的部分颗粒形态和统计特征（如体积分数和空间排列），虚拟地构建真实的微观结构。介绍了几种重建非均匀微结构的算法，如基于描述符的方法[51，52]、像素切换[53，54]、质量弹簧变换算子[55，56]、随机场算法[57]和Voronoi细分基础技术[58]。在重建过程中，使用一组概率描述函数（PDF）来表征微观结构，e、 g.，N点相关[59]，直线路径[60]，弦长分布[61]
函数和傅里叶形状描述子来描述现实形态[62]。随机优化技术，如遗传算法（GA）[56]和模拟退火（SA）[63]通常用于在重构的微观结构中复制这些pdf。注意消除重叠粒子同时量化其优化的空间排列在这种算法中，可能是一个需要计算的过程。它也是值得一提的是，上述一些方法无法重建周期性微观结构，这对于在有限元模型中分配周期性边界条件以最小化损伤局部化是至关重要的微观力学模拟中的域边界[64]。微结构表征技术与重构的综合评述算法在[65]中提供。
重建后的微观结构，下一步是建立有限元模型，通过生成适当的协调网格，小的单元长宽比和可忽略的离散误差。这可以通过使用复杂的网格生成算法，如Delaunay求精[66]、基于八叉树的方法[67]或前进前沿[68]。在所有这些算法中，采用迭代优化/平滑阶段来改善元素的形状和纵横比，并消除那些具有极高或极低二面角的元素。对于具有复杂几何结构的三维问题，例如非均匀粘合微观结构，这可能是一个具有挑战性且耗时的过程，可能需要用户干预以手动更改参数或局部修改网格结构。丰富的铁基技术，如扩展/广义有限元法（X/GFEM）[69，70，71]和分层界面丰富有限元法（HIFEM）[72，73]可用于消除构建合格网格的需要。然而，这种方法的实施常常涉及额外的挑战，例如刚度矩阵的不适应和沿材料界面恢复应力的精度损失[74，75]。此外，由于对积分子元素的as pect比缺乏控制，因此在此类方法中，无法应用显式时间积分方法来解决非线性瞬态问题，因为稳定时间增量是元素特征长度尺度的函数[76]。
最近，Soghrati等人。[77，78，79]引入了一种新的网格生成算法，称为符合接口结构自适应网格增强（CISAMR），该算法可以解决与传统网格划分和丰富的基于有限元的算法相关的实现问题。与后一种方法类似，CISAMR允许使用简单的结构化网格来离散域。然而，这种非迭代算法并没有使用丰富函数来近似现场不连续性，而是将被材料界面切割的背景元素局部地转换为具有适当长宽比的自适应重定一致性元素。第4节详细介绍了CI算该算法在当前手稿中被用于建立胶粘剂微观结构的有限元模型。
然后，必须在有限元模型中加入适当的本构模型，以模拟粘合层中的破坏响应[80]。在非均质胶粘剂中，可以确定两种主要的损伤机制：沿颗粒-基体界面的分层和基体内的损伤[81]。前者可以使用具有给定牵引分离规律的粘结单元来模拟，以量化界面结合强度，以及避免在压缩条件下颗粒/基质相互渗透的接触模型[82]。结构胶粘剂的聚合物基体在拉伸载荷作用下经常表现出脆性破坏行为，这可以用脆性连续损伤模型来模拟[35，38]。然而，该材料系统在剪切和压缩损伤前经历了显著的塑性变形[83]，必须使用适当的延性损伤模型进行模拟[84]。在这项工作中，采用了一个现象学延性损伤模型，将损伤准则与应力三轴性联系起来，来模拟脆性和延性破坏模式[83]。
在本文中，我们采用多尺度计算粘性模型来研究各种微观结构特征，即预先存在的空隙、颗粒-基体界面结合和被粘表面粗糙度，对非均质胶粘剂失效响应的影响。第2节介绍了该模型的公式，以及用于模拟粘合剂失效响应的粘性接触和连续延性损伤模型。第3节介绍了一种用于合成胶粘剂真实微观结构模型的随机微观结构重建算法，第4节简要介绍了CISAMR网格生成算法。通过集成这些算法形成的自动计算框架能够构建真实的三维微观结构模型，并随后建立粘合层的高精细度有限元模型，这是本模型与之前关于本课题的研究相比的主要差异之一。在大多数现有工程中，构建此类模型的挑战性过程导致要么对粘合剂使用过于简单的几何模型，要么忽略其失效过程中涉及的现象（例如，基体中的延性损伤或沿颗粒-基体界面的接触力）。在用实验数据标定损伤模型后，我们还研究了SRVE的存在性和合适的尺寸。第6节全面研究了微观结构特征（如预先
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