粘接点焊单搭接头的静力分析

　　1　引言

　　粘接点焊技术(以下简称粘焊)是点焊与粘接技术的结合,它既具有点焊接头的重量轻、静强度高、可靠性好的优点,又有粘接接头的良好的疲劳特性和密封性;克服了点焊接头的应力集中与粘接接头强度分散性大、可靠性差的缺点,同时也解决了粘接的定位问题,是一种性能优良的连接结构^[1～3]。日本已经出现了使用粘焊连接技术的小轿车,并正在组织大量的人力、物力进行研究。随着工业技术的发展,粘焊技术必将得到越来越广泛的应用。

　　在工程应用中单搭接头是最常用的接头形式之一,也是其他接头结构分析的基础。因此,建立粘焊单搭接头的力学分析模型,确定粘焊结构中的应力状态及分布,对工程设计起着直接的指导作用,具有重要的理论和实用价值。

　　本文建立了粘焊单搭接头的简化力学模型,对其进行应力、强度分析,得到了解析解,提出了粘焊结构的破坏判据。同时,利用有限元软件对粘焊接头进行了数值分析,为粘焊技术的推广应用提供理论基础。

　　2　粘焊单搭接头的静力分析

　　2.1　力学模型及基本方程　粘焊结构拉剪试样受力状态如图1a所示。取搭接部分为研究对象,其静载受力模型可简化为如图1b所示。

　　取接头内一微元,其受力情况如图2所示。

根据X方向和Y方向的受力平衡条件及弯矩平衡条件,可得到以下几个方程(以下各式中下标u、l分别表示上板和下板)。

　　另外,由粘接剂本构方程可得:

　　式中　Ea,Ga——粘接剂的弹性模量和切变模量

　　2.2　粘接层内切应力分析　对式(1)中的第二式求微分,并代入相应的基本方程可得:

　　2.4　粘焊单搭接头的失效判据　在低碳钢板的拉剪试件断面分析中发现,断裂面中粘接剂分离面占80 %以上,而粘接剂与钢板的界面分离面仅是一小部分。因此,本文假设接头失效主要是由粘接剂的破坏而引起的,并且所用粘接剂的破坏形态主要是脆性断裂。于是,由最大拉应力强度理论可知,粘焊结构粘接层的失效条件为σ1=σc。

　　2.5　粘焊接头中粘接剂层内的应力分布　根据上面的分析,得到了粘接剂层内的正应力(式10)和剪应力(式5)的解析表达式。将所用粘焊结构的材料参数和试样的尺寸代入上式中(c=12.5 mm,r=2.5 mm,t=1 mm,η=0.1 mm,E=200 GPa,Ea=2.875 GPa ,F=3000 N),经计算可得切应力、正应力以及等效应力在层内的分布情况。

　　3　粘焊结构的数值分析与结果分析

　　粘焊单搭接头在拉切载荷的作用下产生的变形如图3a所示。考虑到接头的受载及变形情况,提出如图3b所示的静力模型。在接头的中点0处给出固定位移的边界条件;在接头的受载端部则为横向的支撑约束。