对预成角薄板粘接接头强度及其应力分析

唐 勇， 何晓聪， 郑俊超， 邢保英， 许竞楠

(昆明理工大学机电工程学院，昆明 650500)

粘接接头与其他连接接头如铆接、焊接相比，应力分布更加均匀［1］，而且具有强度高、应力集中小等优点，所以粘接接头广泛应用于航空航天领域。然而，粘接搭接接头的末端应力集中依然较高，而中心区域的应力相对较小。为了改善粘接接头的受力，许多学者研究了黏结剂特性和接头几何形状对接头应力分布的影响，并取得了一定的结果［2～4］。何晓聪［5］研究了黏结剂材料特性对单搭接头应力分布的影响。游敏等［4，6～10］研究了间隙粘接接头几何形状和黏结剂弹性模量对接头应力分布和强度的影响［3，11，12］，McLaren［13］分析了复合材料的预成角与粘接接头强度的关系。Fessel［14］用有限元法对比分析了不同几何形状的单搭粘接接头的力学性能。Zeng［15］设计了一种新型的波形粘接接头可改善接头的受力情况。预成角粘接接头(图1)不但可改善粘接接头的应力分布，而且与其他接头相比，制造简单，在实际中更容易得到广泛应用。

目前少有有关铝合金预成角与粘接接头强度关系的文献报道，本工作通过实验和仿真相结合的方法研究了不同预成角对5052铝材预成型角粘接接头强度和应力分布的影响。

图1 预成型角粘接接头Fig.1 Reverse-bent bond joint

1 5052铝合金预成角粘接接头实验分析

1.1 实验过程

为了研究板的预成角对粘接接头强度的影响，制备尺寸为100mm×20mm×1.5mm的5052铝合金试样，黏结剂为丙烯酸3M-DP810。3M-DP810结构黏结剂为常温下快速固化黏结剂，可以免除保温工序。制备预成角 θ为 0°，4°，7°，10°，13°，15°的试件各8件，对板材表面清洁处理后，涂抹3MDP810黏结剂。为了保证粘接层厚度，加入厚度为0.3mm的铁粒。搭接长度L2为20mm。图2为试件的对比图。用SHIMADZU(岛津)SLFL拉伸试验机测试剪切拉伸性能，拉伸速率为5mm/min。为了减小实验过程中弯矩的影响，不同角度接头需添加不同厚度的垫片如图3。

1.2 实验结果分析

由于粘接工艺影响因素多且难以控制，所以粘接接头最大位移有较大的分散性，但各试件载荷-位移曲线斜率一致性较好，说明实验数据有一定的参考价值。从图4可以看出，最大位移虽有一定的分散性，仍为变大的趋势，这是因为角度越大，位移越大，接头的储能能力越强。

使用Matlab的拟合优度检验试件最大位移是否服从正态分布，使用样本置信区间估计命令，以95%的置信度估计置信区间来检验数据的有效性。0°，4°，7°，10°和 15°的预成粘接接头的最大位移服从正态分布，均值和方差见表1。角度为13°时，数据不服从正态分布，可能是粘接工艺而导致的数据偏差。剔除最大偏差数据，再次验证结果表明此时数据满足正态分布。图5为试件位移的正态分布直方图。

图4 不同角度下8个相同试件的载荷-位移曲线Fig.4 Force-displacement curve of tensile tests (a)0°;(b)4°;(c)7°;(d)10°;(e)13°;(f)15°

为了对比不同角度粘接接头的承载能力，选择与均值接近的载荷-位移曲线表示该角度下粘接接头的载荷-位移，得到各角度粘接接头的载荷-位移对比图6。

图6为预成角单搭粘接接头的载荷-位移曲线。载荷-位移曲线大体分成两个阶段:光滑曲线阶段和波动曲线阶段。光滑曲线阶段是接头线性变形阶段。对比各预成角位移载荷曲线发现:粘接接头预成角角度不同，载荷-位移曲线的斜率不同，斜率大的曲线对应的接头载荷小，即此角度的粘接接头承载能力高。波动区域表示接头变形进入屈服阶段，在此阶段，预成角板被拉直，粘接接头不存在角度的差异性，所以，位移载荷曲线保持一致。

表1 不同预成角粘接接头最大位移的统计量Table 1 Statistic of maximum displacement in different preformed angle joints

图5 最大位移正态分布直方图Fig.5 Normal histogram of maximum displacement (a)0°;(b)4°;(c)7°;(d)10°;(e)13°;(f)15°

预成角越大，接头因上下板不对中而导致弯矩越大，接头强度就越低，接头的弯矩因子定义为k=e/(ts+ta)，e为接头上下板的竖直位移差，ts为板厚，ta为粘接厚度。表2为不同角度的弯矩因子，从表2可以看出预成型7°时，接头承受的弯矩最小。图6可以看出预成型粘接接头的位移载荷曲线斜率由大到小顺序:7°，4°，0°，10°，13°，15°，这与接头的上下板竖直位移大小顺序一致，说明预成角通过改善接头的弯矩，提高了接头的强度。

表2 不同预成型角接头的弯矩因子Table 2 Bending moment factor K for adhesive joint with different preformed angles

2 预成角粘接接头有限元建模

预成角粘接接头搭接部分的有限元模型如图7所示，边界条件如图1。板尺寸为100mm×20mm×1.5mm，黏结剂厚度为0.3mm，搭接长度为 20mm。弯曲角度 θ为 0°，4°，7°，10°，13°和 15°。搭接端部均为呈45°的胶瘤，胶瘤为粘接工艺中自然存在的现象，考虑它的存在，同时板的宽度远大于板的厚度，故将粘接接头简化为平面应变模型。铝板和胶层均采用广义平面应变单元PLANE183(如图8)，用二维单元选项模拟三维变形，且对四边形单元和三角形单元具有很好的融合性。考虑黏结剂和板尺寸相差巨大，为了保证单元的连续性，采用子模型技术模拟粘接接头，粗模型的单元尺寸为0.1mm，子模型单元尺寸为0.05mm。铝板和铝板剂都考虑为线弹性各向同性材料，5052铝板的弹性模量为70.7GPa，泊松比为0.3，黏结剂的弹性模量为 3GPa，泊松比为0.38。不考虑胶层中存在气孔等空隙，且假定胶层结构完好，结合面上无缺陷。

图6 不同角度预成角粘接接头的位移载荷曲线Fig.6 Force-displacement curve of the specimen with different preformed angle

在0°板的末端施加1.836mm的位移，在板的末端所得应力为122.33MPa，而实验结果表明:0°接头，位移为 1.836mm时，载荷为 4000N，应力为133.33MPa，这说明有限元分析和实验数据大致吻合。

3 计算结果分析

剪切力对胶接件的测试及其性能非常重要，通常胶接件在设计时主要考虑黏结剂是否能承受剪切力。但因粘接接头承受劈裂载荷的能力较弱，故也应分析接头的劈裂应力。

图9为黏结剂中心层ABCD的应力分布。比较不同预成角应力分布情况，发现不同预成角应力分布趋势相同，应力峰值点位置没有改变，应力呈对称分布。预成角对胶瘤处应力集中影响呈抛物线关系，即随着角度的增大，先逐步改善胶瘤处应力集中，然后继续增加预成角，胶瘤处应力集中加剧;而预成角对粘接层的影响表现为单调性，即随着预成角增加，应力值也增加。

图9a为预成角度对粘接中心层劈裂应力的影响，随着角度的增加，胶层劈裂应力不断增加，但方向发生了改变，文献［15］中指出:劈裂应力为负能够显著提高接头的强度，尤其是接头的疲劳强度。B点为胶瘤部分的应力峰值点，4°时劈裂应力较0°降低61.1%，剪切应力降低52.7%，7°时劈裂应力降低87.0%，剪切应力降低86.6%。大于7°时劈裂应力和剪切应力又开始增加，也就是说，7°角虽然增加了胶层的应力，但其大大降低了胶瘤部分的应力集中，提高了接头的强度，这与实验结果相符。

图9b和c为预成角对粘接中心层剪切应力和von miss应力的影响，其分布规律与劈裂应力相似。在此不再赘述。分析发现存在最佳预成角粘接接头，来保证接头载荷路径一致，降低弯矩的影响，减小应力，提高接头强度，相反如果预成角偏离最佳角度，就会增大弯矩，加大应力，增大胶瘤处应力集中，降低接头强度。

图10为0°和7°Von Miss应力的对比图，可以看出最大应力位置从搭接末端的胶瘤处转移到搭接末端板的外侧，即应力峰值从低强度区转移到了高强度区，有利用提高接头的强度。

4 结论

(1)预成角对5052铝合金粘接接头影响明显。因预成角可以改变接头上下板的竖直位移，从而改变接头的受弯矩情况，预成角为7°时，接头的上下板竖直位移最小，所以接头承受的弯矩最小，强度最高。

(2)有限元分析结果发现预成角和胶瘤处应力集中为抛物线关系，而单调增加影响胶层的应力。预成角粘接接头存在最佳角，此时接头受载弯矩最小，接头的强度最高，偏离最佳角，胶瘤部分的应力集中加剧，接头强度降低。

(3)接头的预成角越大，其位移越大，储能能力越大。

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