胶瘤弹性模量对铝单搭接接头应力分布的影响

　　1　引言

　　胶接技术作为一种新兴的连接技术,由于具有高的强度重量比等优点而广泛地应用于航空航天等领域。但与传统的焊接技术相比,由于强度较低,致使胶接技术的应用受到限制。影响胶接接头强度的因素很多,尤其是胶粘剂本身的性能(如弹性模量)以及接头形式(如胶瘤)等,近年来对这方面的研究取得一定的进展[1~8]。亚当斯等研究了胶瘤的存在对胶层内应力分布的影响,结果表明,胶瘤的存在以及形状极大地影响胶层中的应力峰值[1]。常保华等采用三维弹塑性有限元法,研究了弹性模量对胶焊接头应力分布的影响[9,10]。孟凡颢等人的研究成果表明,随着胶粘剂弹性模量的增大,胶层中的最大剪应力也随之增大[11]。Pires等研究了不同弹性模量胶粘剂相搭配的铝合金单搭接接头的应力分布[12]。孔凡荣等运用弹塑性有限元法,研究了高弹性模量酚醛树脂和低弹性模量丙烯酸脂接头的应力分布[13]。Fitton等通过搭配不同弹性模量的胶粘剂来优化复合材料单搭接接头的应力分布[14],而在连接结构的参数化有限元优化设计方面也Journal of Mechanical Strength2007,29(3):512~516取得了一定进展[15]。然而对胶粘剂的弹性模量和胶瘤的影响的研究还不够完善。实际上,当胶瘤与胶层所采用的胶粘剂不同时,对接头的强度有很大影响。本文用有限元法研究不同弹性模量的胶瘤对铝合金单搭接接头应力分布的影响。

　　2　有限元模型与网格

　　利用有限元软件ANSYS进行建模和网格划分。被粘物采用国家标准GB 7124—86“胶粘剂拉伸剪切强度测定方法(金属对金属)”,单片试样长100 mm,宽25 mm,厚2 mm,胶层厚度为0.2 mm,胶瘤形状为直角边长2.2 mm的等腰直角三角形,如图1所示。被粘物和胶层均采用广义平面应变单元PLANE183,该单元利用二维单元选项模拟三维变形,结果很符合实际,而且对四边形单元和三角形单元具有很好的融合性。胶层划分为4层,胶层邻近被粘物划分为10层,并对胶瘤进行细分,胶瘤划分为三角形单元,其余部分划分为四边形单元,如图2所示。考虑材料的非线性行为,利用双线性各向同性强化选项描述材料的弹塑性性能,如表1所示。

　　3　有限元分析

　　利用弹塑性有限元法对模型进行分析,所有模型所加载荷均为均布载荷σ=40MPa(即F=2 kN),对模型的约束和加载情况见图1。

　　图3为不同弹性模量的胶瘤对单搭接接头胶层中部(y=-0.1 mm)应力分布的影响(图中弹性模量E的表达式内,第一项和第三项为形成胶瘤的胶粘剂的弹性模量,第二项为形成胶层的胶粘剂的弹性模量;仅有一项,则表示使用单一胶的情况,下同)。可知单搭接接头中部的应力小,承担的载荷小。从图中可以看出,各应力峰值出现在胶层与胶瘤的连接处,这是由于此处是胶瘤、胶层以及被粘物的交界处,在载荷作用下产生应力集中。当胶瘤采用不同于胶层的胶粘剂时,胶瘤弹性模量越低,在胶层与胶瘤的交界处,剥离应力Sy、剪应力Sxy、第一主应力S1以及vonMises等效应力Seqv的应力峰值反而越高,而且均高于E=1 888 MPa的单一胶的应力峰值,而两端(x=0.1 mm和x=16.8 mm)的应力值则随着胶瘤的弹性模量的增加而增大。这主要是由于低弹性模量胶粘剂的刚度小,在载荷作用下变形大,从而使得应力得以释放,两端(x=0.1 mm和x=16.8 mm)的应力值自然就很低,胶瘤对载荷的承担作用也就小,使胶层的承担作用增大,在与另一种E=1 888 MPa的胶粘剂的交界处,由于两种胶粘剂的弹性模量相差悬殊,在载荷作用下引起的应变相差大,必然产生一个很高的应力峰值,这对接头是很有害的。因此,胶瘤采用弹性模量和屈服强度很高的胶粘剂,可以提高单搭接接头的强度。图4为不同弹性模量的胶瘤对单搭接接头中被粘物(y=0.05mm)应力分布的影响。从图中可以看出,各应力的峰值主要出现在胶瘤与胶层的交界处(x= 2. 2mm),以及两端(x=0和x=14.7 mm)。随着胶瘤弹性模量的增加,被粘物前端(x=0)的应力越大,而末端(x=14.7 mm)的应力越小。第一主应力S1和vonMises等效应力Seqv的分布状况和变化形式相似,靠近前端的被粘物的应力较大,而靠近末端的应力较小,并且随着胶瘤弹性模量的增加,前端胶瘤的应力峰值由胶瘤与胶层的交界处向被粘物前端转移。而剥离应力Sy与剪切应力Sxy的分布状况和变化形式相似,中间的应力较小,而两端较大。