综述：胶接接头疲劳行为与寿命预测综述

《Polymer Testing》：Review of the fatigue behaviour and life prediction of adhesive joints

　　

本文旨在对由相似或异种材料制成的胶接接头（ABJs）的疲劳行为进行详细的文献综述。ABJs 正逐渐应用于汽车、航空航天和能源等不同领域。本研究全面梳理了有关 ABJs 疲劳性能的文献。其中一个方面是接头在不同因素（如载荷参数、几何形状和环境条件）作用下的疲劳寿命。此外，本文还阐述了循环载荷作用下接头的失效特征及胶接层的调查情况。本文展示了基于应力 - 寿命（S-N）曲线的疲劳寿命预测方法的检验结果。通过对涉及不同接头构型的复合材料 ABJs 的研究文章和实验工作进行调查，研究人员深入理解了其疲劳行为。综述结果表明，引入纳米颗粒和混合纳米颗粒是提高 ABJs 疲劳强度的一种非常有效的方法，从而延长接头寿命，并同时采用先进的疲劳寿命预测方法。本研究为从事涉及 ABJs 项目的设计人员和研究人员提供了信息来源，帮助他们理解影响疲劳寿命的因素。此外，研究人员还能获得关于选择合适耐久性技术的指导，并获取用于疲劳寿命预测的数据分析工具和计算方法。

胶接接头的疲劳行为受多种因素制约，主要包括载荷参数、几何参数及环境条件。在载荷参数方面，应力幅值（σ_a）、平均应力（σ_m）和应力比（R）显著影响疲劳性能，较高的σ_a和 R 值会导致疲劳寿命缩短。加载方式同样关键，轴向载荷、扭转以及多轴复合载荷会在材料内部产生不同的应力状态，其中多轴载荷往往导致主应力方向随循环变化，从而加速疲劳失效。断裂力学研究通常基于纯模式加载，包括张开型（Mode I）、滑开型（Mode II）和撕开型（Mode III）。研究表明，测试频率的增加通常会延长疲劳寿命，而纳米颗粒（如 Al₂O₃、TiO₂、SiO₂）的添加能显著优化接头的疲劳强度。

在几何构型因素方面，接头类型、搭接长度、被粘物厚度及胶层厚度均对疲劳性能产生复杂影响。单搭接接头（SLJ）、双搭接接头（DLJ）、斜接接头（SJ）及阶梯搭接接头表现出不同的疲劳抗性，其中斜接接头因应力分布均匀而具有更优的疲劳性能，阶梯搭接设计则能有效降低端部的剥离应力集中。搭接长度的增加通常会改变弯矩分布，进而影响疲劳寿命，但过长的搭接可能导致应力分布不均。被粘物厚度的增加通常能显著提高接头的刚性和疲劳极限，减少应力集中。然而，胶层厚度对疲劳性能的影响呈现非线性特征，过厚或过薄的胶层均可能不利于疲劳寿命，存在一个最佳厚度范围以平衡能量耗散与断裂韧性。

环境因素如温度、湿度及湿热耦合条件会显著降低 ABJs 的静态强度和疲劳寿命。高温会激活胶粘剂分子的热运动，削弱分子间作用力，导致疲劳抗力下降，特别是在接近或超过玻璃化转变温度（T_g）时更为明显。湿气和湿热老化会导致界面结合力衰退，促使失效模式由内聚破坏向界面破坏转变，大幅缩短疲劳寿命。此外，盐雾环境也会加速裂纹萌生与扩展。

疲劳失效机制通常分为裂纹萌生、扩展和最终断裂三个阶段。裂纹多萌生于应力集中处或界面缺陷处，随后在循环载荷下扩展。裂纹扩展行为可用应变能释放率（SERR）范围（ΔG）和最大 SERR（G_max）来描述，遵循 Paris 定律。失效模式包括界面破坏、内聚破坏、薄层内聚破坏、纤维撕裂破坏等，具体模式取决于材料匹配、表面处理及载荷条件。近年来，机器学习（ML）算法如支持向量机（SVM）、随机森林（RF）及人工神经网络（ANN）已被成功应用于预测接头强度和失效模式，展现出高精度。

为提升疲劳性能，研究人员开发了多种增强技术。纳米改性是一种有效手段，添加碳纳米管（CNT）、石墨烯纳米片（GNP）、碳化硅（SiC）等纳米颗粒可显著提高胶层的韧性、强度及耐热性，从而延长疲劳寿命。表面处理技术如激光纹理化、等离子处理、喷砂及 Peel-ply 处理等，能有效改善界面结合质量，延缓裂纹萌生。混合连接技术（如胶 - 铆、胶 - 螺混合）结合了机械连接与胶接的优势，在高载荷下表现出更优异的疲劳耐久性。

在寿命预测与建模方面，除了传统的 S-N 曲线法，基于断裂力学的方法（如虚拟裂纹闭合技术 VCCT）和内聚区模型（CZM）被广泛用于模拟裂纹扩展过程。循环内聚区模型（CCZM）能够准确预测疲劳裂纹的萌生与扩展行为。有限元分析（FEA）结合这些高级本构模型，为复杂工况下的疲劳寿命预测提供了有力工具。尽管取得了显著进展，但在变幅载荷、多轴应力状态及长期环境耦合下的疲劳行为预测仍需进一步研究，特别是开发更高效的计算模型和实时监测技术，以满足航空航天、汽车及风电叶片等领域的工程应用需求。