買雪媛，秦 剛，李 菲，陳 琦，王帆帆，王國(guó)鋒，崔景強(qiáng)

（1.河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453400；2.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

引 言

紫外光固化膠粘接幾乎不會(huì)改變?cè)挟a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及性能，對(duì)設(shè)備及工藝的要求較低，生產(chǎn)效率高易于自動(dòng)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）等材質(zhì)都為透明材質(zhì)，均能透過(guò)紫外光。因此，采用紫外光固化膠粘接是醫(yī)療器械粘接解決方案中最安全、便捷的途徑[1]。在粘接件中，常見(jiàn)的類型有搭接接頭、對(duì)接接頭、斜接接頭及套接接頭[2]，大多數(shù)粘接形式由以上幾種類型單獨(dú)或組合構(gòu)成，其中在醫(yī)療器械連接中使用最多的是套接接頭。

在汽車行業(yè)中，邵宇吉等[2]在粘接連接理論研究和力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立內(nèi)聚力及解析模型對(duì)膠層失效過(guò)程中應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究分析并對(duì)膠接接頭強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。鄒田春等[3]使用數(shù)字圖像法對(duì)單搭接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，研究了不同搭接長(zhǎng)度下膠接接頭載荷隨位移變化情況，并通過(guò)膠接接頭斷裂過(guò)程的分析，得出膠接側(cè)面應(yīng)變的分布及演化規(guī)律。在航天領(lǐng)域的研究中，伍鵬[4]使用矩形粘接結(jié)構(gòu)，研究粘接件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其破壞由于粘接界面的脫粘造成，并通過(guò)分布反演與算法結(jié)合的方式獲取界面參數(shù)。程凱[5]等對(duì)旋翼、膠層及膠接界面三者同時(shí)進(jìn)行損傷模擬的研究，分析接頭破壞過(guò)程中剝離應(yīng)力及剪切應(yīng)力的變化，同時(shí)研究了粘接寬度及厚度對(duì)粘接強(qiáng)度的影響。此外，還有研究人員對(duì)單搭接接頭膠層間隙、膠粘劑的彈性模量、膠瘤的存在等因素對(duì)單搭接接頭強(qiáng)度的影響進(jìn)行了探究[6～8]。

然而，在以往研究中，研究人員通常在汽車或航天領(lǐng)域使用有限元方法進(jìn)行粘接件的分析，而且往往研究的是單搭接的接頭，對(duì)套接接頭極少有見(jiàn)報(bào)道。套接是將一個(gè)被粘接件的末端插入另一被粘接件的內(nèi)孔，并在末端重疊區(qū)涂膠進(jìn)行粘接，如下圖所示。此種接頭受力情況好，膠接面積大，承載能力高，在醫(yī)療器械的小型連接件中使用較多。

圖1 套接接頭形式Fig.1 The socket bonding form

在本文中，首先構(gòu)建套接膠接接頭的有限元模型，然后使用醫(yī)療器械中常用的三通配件與管型配件的粘接件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)膠接接頭的破壞形式作出損傷預(yù)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

紫外光固化膠，醫(yī)用級(jí)（牌號(hào)CN011），戴馬斯中國(guó)有限公司；甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（MABS），醫(yī)用級(jí)（牌號(hào)POLYLAC PA-758），奇美寶業(yè)有限公司；聚氯乙烯（PVC），醫(yī)用級(jí)（牌號(hào)8513），深圳恒方大高分子材料科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

EUT6502 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳三思檢測(cè)技術(shù)有限公司；UV-LED（XYUV-4Ⅱ）面光源固化機(jī)，深圳市海特奈德光電科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)制備

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 7124-2008 膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》，設(shè)計(jì)制作了MABS 材料的單搭接粘接接頭，尺寸如圖2 所示，被粘物長(zhǎng)寬均為25mm×100mm 搭接長(zhǎng)度為12.5mm，夾具兩端距離為50mm。

圖2 測(cè)試接頭示意圖Fig.2 The schematic diagram of test joint

將試片平放，使用膠刷在預(yù)定粘接部位涂膠。粘貼透明膠帶以控制粘接面積，在粘接面上平行于拉伸方向放置2～3 根直徑為0.11mm 的銅線以控制膠層厚度在0.1mm 左右。使用酒精和紗布適當(dāng)清潔粘接面，涂覆膠粘劑將試片貼合后用燕尾夾固定，先使用點(diǎn)光源固化部分膠層以固定試片，再去掉燕尾夾使用面光源完全固化。

1.4 有限元模型的建立

內(nèi)聚力模型的概念在1960 年由Dugdale 及Barenblatt[9]提出，用以模擬膠粘劑在彈性階段和在達(dá)到屈服應(yīng)力后退化破壞階段的力學(xué)性能。借助于ABAQUS 搭建套接接頭內(nèi)聚力有限元模型，膠層的網(wǎng)格單元屬性設(shè)置為Cohesive 內(nèi)聚力單元（COH3D8）[10]，需要特別注意的是要設(shè)定膠層網(wǎng)格單元的堆疊方向，管型配件，三通配件的網(wǎng)格單元屬性設(shè)置為三維八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分實(shí)體單元（C3D8R）。在三通配件非膠接一側(cè)底端進(jìn)行結(jié)點(diǎn)固支約束，管型配件夾持端設(shè)立參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)均勻施加位移載荷。

在ABAQUS 中導(dǎo)入三通、膠層及管體的CAE模型，使用TIE 約束將三者相連，同時(shí)定義膠層元素方向。為避免接觸運(yùn)算錯(cuò)誤，將管體及三通粘接部位設(shè)置為硬接觸。最終有限元模型效果如圖3 所示。

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

在本研究中，對(duì)膠層內(nèi)聚力單元采用了牽引-分離定理，該定理在宏觀上描述了牽引力與位移的關(guān)系，用于描述當(dāng)牽引力達(dá)到最大臨界值后材料的剛度退化和結(jié)構(gòu)失效。ABAQUS 采用的膠合初始損傷判斷準(zhǔn)則常用的有最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則和二次應(yīng)力準(zhǔn)則。

二次應(yīng)力準(zhǔn)則較為保守，本研究選擇二次應(yīng)力準(zhǔn)則作為失效準(zhǔn)則[11]，如式（1）所示。

式中：Gn、Gt、Gs分別表示由法向和兩個(gè)切向牽引力做功釋放的能量（N·mm-1）；Gnc、Gtc、Gsc表示對(duì)應(yīng)的斷裂能（N·mm-1）。

由于粘接的兩個(gè)配件在拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大位移，在分析步設(shè)置中勾選幾何非線性，分析步的步長(zhǎng)較大會(huì)使得對(duì)失效載荷模擬的準(zhǔn)確度降低，因此將最大增量步及初始分析步減小到合適數(shù)值。

1.5 測(cè)試及計(jì)算

使用制備的單搭接接頭，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行15mm/min 拉伸速度的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，如圖4 所示。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得膠粘劑拉伸剪切的失效載荷及失效位移，重復(fù)3 次取平均值。

將所測(cè)得的失效載荷使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，得到膠層粘接性能的相關(guān)參數(shù)。在鄒田春等基于DIC 對(duì)單搭接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，研究不同搭接長(zhǎng)度下載荷-位移曲線，研究者所用研究對(duì)象的膠層長(zhǎng)寬厚為20mm×25mm×0.2mm，通過(guò)對(duì)斷裂過(guò)程及破壞特征變化分析，在20mm 搭接長(zhǎng)度及以下的搭接接頭在拉伸過(guò)程中彎曲效應(yīng)不明顯，剝離力相較于受剪切力作用非常小，表明在上述條件下破壞主要由剪切作用所致。而在本實(shí)驗(yàn)中膠層厚度僅有0.1mm，且膠層長(zhǎng)度僅為7mm，因此在計(jì)算時(shí)，僅考慮剪切方向的粘接強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 套接膠接結(jié)構(gòu)粘接受力及失效分析

在結(jié)構(gòu)膠粘接接頭拉伸力學(xué)試驗(yàn)中，當(dāng)膠層一旦出現(xiàn)損傷及膠層某些地方開(kāi)始失效后，就會(huì)造成應(yīng)力集中導(dǎo)致整個(gè)膠層在短時(shí)間內(nèi)完全失效，所以膠層的分離過(guò)程很難直接觀察，因此，在實(shí)際中難以對(duì)粘接接頭的失效進(jìn)行分析研究。有限元方法為接頭的失效提供了一種研究方法，當(dāng)膠層的失效狀態(tài)變化時(shí)，膠層的SDEG 數(shù)值也會(huì)隨之改變，由此可更加清晰直觀地了解到粘接接頭的失效過(guò)程[12]。

對(duì)SDEG 參數(shù)在拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，變化情況如圖5 所示。圖中，接頭的失效情況由不同的顏色較為直觀地表現(xiàn)，淺色代表該部分膠層接近完全失效，深色代表該部分膠層還未開(kāi)始失效。膠層的端部首先出現(xiàn)失效（SDEG=1），隨著粘接配件相對(duì)位移的增加，SDEG=1 的部位由上部到下部逐步推進(jìn)，完全失效占比的區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)膠層，此時(shí)接頭兩個(gè)配件完全分離。

圖5 膠層SDEG 參數(shù)顯示情況Fig.5 The SDEG parameters display of adhesive layer

在PVC 管體和三通配件的套接粘接件實(shí)例中應(yīng)用SDEG 參數(shù)對(duì)膠層進(jìn)行詳細(xì)分析?？梢詮哪M圖看出，開(kāi)始時(shí)膠層前端先開(kāi)始損傷，后端損傷程度較輕。隨著損傷進(jìn)一步加強(qiáng)，前端膠層發(fā)生損傷失效，后端膠層開(kāi)始損傷，按此規(guī)律逐層遞推，最終膠層全部失效。

2.2 三通配件粘接受力分析及強(qiáng)度預(yù)測(cè)

先將管體及三通配件進(jìn)行清洗，徹底去除表面油污雜質(zhì)，隨后將適量膠粘劑涂于管體頂端，緩慢旋轉(zhuǎn)插入后在365nm 波段固化機(jī)中完成固化。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中調(diào)節(jié)2h 后，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其失效載荷。共進(jìn)行10 個(gè)試樣的測(cè)量，平均失效載荷為90.56N。對(duì)PVC 管體材料賦予超彈性材料性質(zhì)，在管體前端設(shè)置參考點(diǎn)進(jìn)行位移加載，最終模擬出的失效載荷為91.48N，模擬準(zhǔn)確度達(dá)到98.99%，其載荷隨位移變化曲線如圖6 所示。

圖6 載荷-位移曲線對(duì)比Fig.6 The comparison of load-displacement curves

從以上對(duì)比圖可以看出，仿真模擬失效載荷數(shù)值要稍微高于實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)，可能是由于在實(shí)際粘接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)某些缺陷導(dǎo)致膠層性能未完全發(fā)揮出來(lái)。在此載荷-位移曲線圖中，影響位移變化的主要是PVC 管體的變化，而進(jìn)行模擬時(shí)，由于高分子材料力學(xué)行為隨溫度及時(shí)間變化的依賴性較高，導(dǎo)致測(cè)試與實(shí)際模擬有一定偏差，使得在該曲線對(duì)比圖中模擬載荷與實(shí)際測(cè)量載荷不能完全一致。

從應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)管體開(kāi)始拉伸時(shí)，管體受到較大應(yīng)力，其次為膠層以及三通配件前端受到較大應(yīng)力；當(dāng)膠層開(kāi)始出現(xiàn)失效后可看到三通配件前端應(yīng)力開(kāi)始降低，失效部位所受應(yīng)力顯著降低，說(shuō)明在失效后該部分膠層已無(wú)法承受載荷，同時(shí)可承受載荷的部分主要集中于后端，這從三通中間部位的應(yīng)力分布情況也可以加以驗(yàn)證。

將測(cè)試樣品實(shí)際拉伸過(guò)程進(jìn)行記錄，與軟件模擬進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖7。

圖7 軟件模擬與實(shí)際測(cè)試對(duì)比圖Fig.7 The comparison between software simulation and actual test

3 結(jié) 論

基于有限元法對(duì)醫(yī)療器械中常用的套接膠接結(jié)構(gòu)即PVC 管體與三通配件的粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論。

（1）通過(guò)使用TIE 約束可將三通、膠層及PVC管體相連接，賦予材料性質(zhì)后，可較為真實(shí)地模擬出測(cè)試件實(shí)際拉伸及斷裂的過(guò)程。

（2）對(duì)模擬參數(shù)SDEG 進(jìn)行分析，得出膠層開(kāi)始發(fā)生損傷的位置及其按照逐層演變的方式最終完成整個(gè)膠層的損傷失效的結(jié)論。

（3）在ABAQUS 中建模實(shí)現(xiàn)了小配件的粘接件模擬，使用牽引力-位移法則的粘接失效預(yù)測(cè)，其模擬失效形式與實(shí)際粘接接頭的失效過(guò)程形式一致，同時(shí)失效載荷的模擬準(zhǔn)確度達(dá)到了98.99%。