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3M结构粘合剂粘合模型的开发

3月前浏览1868

1、介绍
        随着结构胶粘剂在更关键的应用中被使用,预测技术来评估胶粘剂性能的需求变得至关重要。有限元分析(FEA)已成为在广泛条件下模拟胶粘剂行为的强大工具。有限元分析可以通过减少实验数量和优化接头设计,大幅缩短设计周期时间。模拟结构胶粘剂需要一个本构材料模型和相应的一组材料属性。连续介质模型可以准确预测胶粘剂中的应力分布,但计算量大且无法有效预测粘接失效。相反,粘聚区模型(CZM)是一种损伤建模技术,可以模拟从小的弹性变形到完全失效的胶粘剂行为。粘聚区模型在计算上效率高,且消除了在尖角和缺陷处遇到的奇异性和网格依赖性。本白 皮书概述了粘聚区模型在3M结构胶粘剂中的开发和测试样本验证。

粘聚区模型


        粘聚区模型通过一个广义的粘聚牵引力将粘结体保持在一起,从而模拟胶粘剂的粘接。胶粘剂层对载荷的响应由牵引-分离曲线描述。图1显示了一个双线性牵引-分离关系的例子。曲线分为两个部分:弹性区域和损伤演化区域。这两个区域分别由一组胶粘剂材料属性描述,图2总结了这些属性。

图1:双线性牵引-分离曲线,具有线性弹性行为和损伤开始后的线性损伤。

图2:构建粘聚区材料数据卡(MDC)所需的材料属性和测试。模型假设胶粘剂是各向同性的,且在两种剪切方向(模式II和模式III)上的材料属性相同。

粘合材料性能

        在弹性区域,材料的响应由归一化拉伸模量和泊松比 定义。这里 tA 是粘合层的厚度。这些性能随后用于计算归一化剪切模量    

        损伤起始发生是牵引分离关系的峰值,标志着材料响应退化的开始。损伤起始准则通常定义为 I 型和 II 型模式下的极限拉伸和剪切强度

极限拉伸强度 是通过对接接头测试测量的,而剪切强度则通过厚层剪切测试测量。

混合模式损伤起始可以使用二次名义应力准则进行估算:

        损伤演化描述了在损伤初始后材料刚度的退化过程。损伤演化区域由损伤参数 (D) 和临界断裂能量定义。在损伤初始点,损伤参数 D 的初始值为 0,并在完全失效时单调增加到 1。

 这里是未损伤的牵引向量分量。临界断裂能量是牵引-分离曲线下的面积(图1)。通常使用锥形双悬臂梁(TDCB)测试和端部切口弯曲(ENF)测试分别测量模式 I 和模式 II 的临界断裂能量(图3)。临界断裂能量可以使用 Irwin-Kies 方程计算:

        这里,F表示平均峰值力,w表示试样宽度,dC/da表示试样柔度C相对于裂纹长度a的导数。可以使用Benzeggagh-Kenane (B-K) 法则来估算混合模式的断裂行为。

图3:TDCB和ENF测试装置及结果。裂纹尖端的位置通过3M专有的裂纹尖端位置跟踪算法测量

材料数据卡

        可以将粘合剂的材料性能输入到材料数据卡(MDC)中,并直接导入FEA软件。图4展示了Abaqus的一个粘合区材料数据卡示例。一般来说,材料性能取决于应变速率和接头几何形状,尤其是粘接线的厚度。因此,应在预期使用条件下测量材料性能。

图4:粘结材料在Abaqus材料卡

测试试样验证

        材料模型必须通过实验验证,以确保模型能够以足够的准确性代表真实材料的行为。验证应在试样级别、子组件级别、组件级别和最终产品级别进行。图5显示了使用T剥离和单搭接剪切测试进行的试样级别验证。图6显示了使用90°双搭接剪切测试进行的验证,该测试导致复杂的应力分布和混合模式行为。3M客户可以使用这些由3M提供的测试试样验证,在他们自己的设计中验证3M™结构胶粘剂。

图5:使用T型剥离测试和单搭接剪切测试对黏结区材料模型进行验证

图6:通过90°双搭接剪切试验对混合模式粘合模型进行验证。

结论 

        3M能为客户提供经过验证的MDC能够使胶粘剂性能和接头设计的评估更加准确和迅速。




来源:ABAQUS仿真世界
Abaqus断裂裂纹材料试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-08-08
最近编辑:3月前
yunduan082
硕士 | 仿真主任工程... Abaqus仿真世界
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基于Abaqus压电风扇仿真

一、引言当提到电子设备的热管理时,大多数人都会想到安装在CPU上的散热器和风扇。然而,在这一领域,人们一直在寻找改进或替代现有风扇的方法,因为现有风扇仍存在诸多问题,例如噪音大、功耗高、体积大,以及轴承磨损导致的寿命问题。轴流风扇的一个重要问题是,在风扇旋转中心周围没有气流,气流呈涡流状态。由于散热器通常具有线性流道,这种气流无法有效冷却散热器。压电风扇因其低噪音和低功耗的特点而受到研究和开发的关注。近年来,越来越多的研究认为,压电风扇可以满足电子冷却模块的需求,例如轻量化、低噪音和小型化。在本研究中,我们首先解决了寿命和鲁棒性问题。然后,根据气流和形状等特性,我们设计并测试了适用于具有多个热源、低成本PC和LED模块等移动电子设备的紧凑型冷却模块。二、压电风扇的工作原理与特性2.1压电风扇的工作原理压电元件的电场引发的应变被称为“逆压电效应”。通常,这种应变本身很小,难以直接使用。为了获得更大的位移,将一块金属或塑料片(叶片)附着在压电元件上,使其像双金属条一样弯曲。如图1(a)所示,当施加正电压时,该结构向上弯曲;施加负电压时,结构向下弯曲。尽管在某些领域这种位移已经足够,但对于冷却所需的气流而言仍然不够。通过延长叶片并在其谐振频率下驱动该结构,如图1所示,叶片的自由端在共振时产生较大位移,从而产生所需的气流。2.2压电风扇的特性图2显示了在对压电风扇施加正弦电压时,其驱动频率与风扇尖端振幅之间的关系。压电元件的应变几乎与施加的电场成正比,因此电压(Vpp)的增加会增加应变能量和压电风扇的振幅。图2的结果还表明,振幅在某些特定频率下具有最大值。这是因为压电风扇利用共振来获得更大的振幅和更多的气流。2.3低驱动电压压电风扇由于绝缘、成本和安全等诸多原因,高电压在电子设备中并不受欢迎。然而,较大的气流来自于较大的压电风扇振幅,而振幅来自于高电场。在这里,我们首先通过减少压电元件的厚度来在相同电压下增加电场。然后,我们将薄压电元件叠层,以增加产生的力,并将叠层元件附加到叶片上。表格显示了两种具有相同几何配置的压电风扇的性能,并表明降低驱动电压的有效性。三、长寿命和高可靠性的压电风扇图1(b)展示了一个典型的压电风扇,其由压电元件和由薄片制成的叶片构成。然而,这种结构虽然能够工作,但在寿命测试中存在问题,因为叶片尖端的惯性力会对压电元件施加很大的力矩。特别是,在压电元件的自由端附近会出现较大的应力。因此,在长期测试中,叶片会从压电元件上脱落。此外,当异物接触到正在运动的压电风扇时,惯性力会变得非常大,从而在这种情况下经常发生脱落现象。此外,用于连接压电元件和叶片的粘合剂的粘合力也容易失效,特别是在高温环境下,脱落现象尤为频繁。图3展示了我们的解决方案。图3(a)显示了传统压电风扇的结构,并标明了应力集中的位置。我们通过在图3(b)所示位置添加支撑块来缓解集中应力。模态分析:一阶摆动频率59.5HZ谐响应分析:59.5Hz时末端偏摆位移0.09m不同阻尼下共振偏摆位移应力结果分享朋友圈或打赏10元,后台发送截图,获取inp计算文件。来源:ABAQUS仿真世界

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