基于ANSYS的硅酸盐/杨木胶合试件的拉伸受力分析

张新荔，佘佳荣，廖有为

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

基于ANSYS的硅酸盐/杨木胶合试件的拉伸受力分析

张新荔，佘佳荣，廖有为

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

为预测和评价硅酸盐胶黏剂与杨木之间的胶合性能及界面作用力，利用有限元软件ANSYS模拟了胶合强度测试试件在拉伸载荷状态下的力学行为，分析在加载过程中试件的位移形变、剪切应力和应变分布情况，以及在胶层中心、垂直胶层和胶层界面方向上应力应变的分布规律，分析了胶黏剂类型、胶层厚度对胶合试件和胶层应力应变云图和曲线的影响，所得结果对胶合木制品的界面力学研究和胶合强度预测具有指导意义。

有限元；ANSYS；胶合界面；应力应变

胶合板可被看作是一种层合复合的胶接构件，其在实际服役过程中需承受多种不同形式的载荷，当载荷超过一定的容许范围时，构件将发生破坏，而胶合界面通常是整个构件中最为薄弱的环节，也即是说破坏最容易发生在胶接层[1]。为了提高胶接构件使用的可靠性，就需要认识并深入了解胶合界面在受载荷状态下的力学行为，以便为提高胶接构件使用性能相关的优化设计提供理论依据。

利用有限元软件对层合胶接结构进行数值模拟已经成为主流研究方法。在木质复合板界面力学研究中，Serrano等[2-3]采用有限元非线性断裂力学模型分析了几种标准胶合试件和胶黏剂类型对胶合性能测试结果的影响，发现理论分析结果与实验值极为符合，认为有限元法对于分析胶层附近应变分布和局部变形，以及评价几种标准试件的力学行为是非常有用的。Blanchet等[4]对实木复合地板变形进行了有限元数值模拟，发现胶层水分扩散系数低是导致由湿度引起的地板变形的主要原因。王野平等[5]利用有限元法对木质复合地板的胶层进行拓扑优化设计及应力分析，并探讨了不同胶层宽度和厚度对应力分布的影响。胡志栋等[6]采用有限元软件对木质复合板进行静力学分析，分析在加载过程中的位移和应力等，得出木质复合板材的变形及受力规律。Serrano等[7]还利用有限元软件研究了胶层的脆性和缺陷对指接层压板强度的影响，发现指接层压板的强度强烈依赖于胶层在峰值压力下的行为和缺陷的存在以及缺陷在胶层中的位置，并指出提高胶层的断裂能可以增加指接强度。Müller等[8]采用有限元法模拟了复合材料界面应力和应变的分布情况，并用于检验试验方法的可行性。

硅酸盐胶黏剂是本课题组研制的新型木材胶黏剂，前期已对硅酸盐胶黏剂的制备工艺、胶合性能、固化条件等进行了研究[9-14]，为进一步深入认识硅酸盐胶黏剂与木材的胶合行为及界面应力分布情况，本文尝试利用理论模拟方法构建由硅酸盐胶黏剂与杨木单板制成的胶合强度测试标准试件的有限元模型，通过研究胶合试件在约束条件下受到载荷作用时的胶层应力应变分布情况，获得胶层的应力应变曲线，并对模型的胶合强度进行预测，将界面细观力学行为与胶合试件宏观力学性能联系起来，为实际实验提供必要的理论指导和预测。

1 模型的建立

模型为胶合强度测试所用的A型标准试件，三层杨木胶合，杨木单板和胶层的厚度分别为1.5 mm和0.1 mm，几何模型的尺寸如图1所示。杨木和胶黏剂的力学性能参数见表1。

图1 几何模型Fig.1 Geometrical model

利用ANSYS 15.0软件中的Mechanical APDL Product Launcher平台构建单元模型。模型中较厚的上、中、下层均为杨木单板，中间两个薄层为胶黏剂层，它们的尺寸与实体模型大小一致。创建的胶合试件有限元模型如图2中的（a）图所示。利用网格划分将模型离散成有限个单元，生成的网格效果如图2中的（b）图所示。该模型共划分29476个网格单元。

图2 胶合试件的有限元模型(a)和网格划分效果(b)Fig.2 Finite element model of the glued specimen (a) and the result of generated meshing (b)

2 约束条件与加载

在分析中假设胶层是致密的各向同性线弹性材料，杨木单板为各项异性弹性材料，胶黏剂与木单板之间紧密连接，不存在缺陷；界面的胶合始终有效，破坏只发生在胶层内部，而且加载前的初始应力为0。将模型的左端设为固定约束端，右端为施加载荷端，施加的拉伸载力为500N，载荷加在右端部所有面上。

采用ANSYS 结构静力学分析模块考察模型的一端在固定约束载荷作用下，另一端在拉力载荷作用下的位移形变及胶合界面应力应变分布情况。并通过对比具有相同尺寸、同样胶层厚度的硅酸盐胶合试件和脲醛树脂胶合试件的模拟结果，分析胶黏剂类型对胶合试件应力应变分布的影响。胶合试件中胶层的厚度通常为0.1～0.3 mm，研究中通过对比0.1 mm和0.3 mm胶层厚度胶合试件的应力应变分布情况，发现胶层厚度对此产生的影响。

3 结果与分析

结构静力分析可用于观察模型在不随时间变化的外载荷作用下的位移、应变和应力等。因此，本文着重考察了在拉伸载荷作用下模型的位移变形、应变和应力分布情况，以及胶层界面、胶层中心和垂直胶层方向的应变分布。

3.1 模型位移及应力应变分布

图3是模拟的三种有限元模型的位移变化等值线，即位移矢量云图（其中的a代表胶层厚度为0.1 mm硅酸盐胶合试件模型，b代表胶层厚度为0.1 mm脲醛树脂胶合试件模型，c代表胶层厚度为0.3 mm硅酸盐胶合试件模型，以下各图中的a、b、c所指均与此相同），图中的SMN表示运算结果中最小的解，SMX表示运算结果中最大的解，DMX表示最大位移量。可以看出，在同样条件下，胶层更厚的硅酸盐胶合试件模型具有更大的位移变形量。然而相同厚度的硅酸盐胶合试件模型和脲醛树脂胶合试件有着比较接近的位移变形量，脲醛树脂和硅酸盐胶黏剂的弹性模量不同，说明胶层厚度可能是影响位移形变的主要因素之一。

云图可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化，从而可以快速确定模型中的关注区域。利用模拟软件可以获取有限元模型的多种应变应力分布云图，围绕研究重点我们选择了几种有代表性的应力应变分布云图。图4～图9分别是三种胶合试件有限元模型在500 N拉力载荷作用下的剪切应变、剪切应力、第一主应力、第二主应力、第一主应变、第二主应变的分布云图。

从图4和图5可以看出，这三种胶合模型具有不同的剪切应变和应力分布，对于胶层厚度为0.1 mm硅酸盐胶合试件模型（图中的a）其剪切应变和应力均介于脲醛树脂胶合试件（图中的b）和胶层厚度为0.3 mm硅酸盐胶合试件模型（图中的c）之间。这与实际情况是相符的，剪切应力最小的脲醛树脂具有最好的粘接效果，其剪切应变也相应地最大。同时胶层越厚的胶合试件其应力将越大，粘接效果将会变差。这些结果说明，有限元模拟的结果与实际情况是相一致的。

图3 有限元模拟的总位移矢量云图Fig.3 Contour plot of the total displacement vector in simulation

图4 剪切应变分布云图Fig.4 Contour plot of shear strain

图5 剪切应力分布云图Fig.5 Contour plot of shear stress

图6 第一主应力分布云图Fig.6 Contour plot of the 1st principal stress

图7 第二主应力分布云图Fig.7 Contour plot of the 2nd principal stress

图8 第一主应变分布云图Fig.8 Contour plot of the 1st principal strain

图9 第二主应变分布云图Fig.9 Contour plot of 2nd principal strain

从图6和图7可以看出，这三种胶合模型具有大小不同的第一主应力和第二主应力，尽管应力分布均主要在两个凹槽处，对于胶层厚度为0.1 mm硅酸盐胶合试件模型（图中的a）其第一主应力和第二主应力均高于脲醛树脂胶合试件，低于胶层厚度为0.3 mm硅酸盐胶合试件模型。从图8和图9中可以发现，主应变也主要分布在试件模型的两个凹槽处，三个胶合试件模型的主应变分布云图也比较相似，综合来看，主应变的大小顺序为脲醛树脂胶合模型＞胶层厚度为0.1 mm硅酸盐胶合模型＞胶层厚度为0.3 mm硅酸盐胶合模型。

以上应力应变的有限元模拟运算结果的最大值列于表2中。可以看出，脲醛树脂胶合试件具有较低的剪切应力和相对较高的剪切应变，胶层厚度为0.3 mm的硅酸盐胶合模型具有比较高的剪切应力和较低的剪切应变，主应力值也略高于脲醛树脂胶合模型和胶层厚度为0.1 mm硅酸盐胶合模型。这是因为脲醛树脂弹性模量低，与杨木单板胶接界面的应力小，由它所胶合的试件模型具有相对较低的剪切应力，所以粘接强度也越高。另外，在其他条件相同的情况下，胶层厚度越大，胶黏剂所产生的应力也较大，因而胶层更厚的硅酸盐胶合模型比胶厚为0.1 mm胶合模型有着更高的应力值。这也符合胶合的实际情况，通常在能达到胶合性能的情况下，人们总是希望胶黏剂的使用量尽量少。以上分析结果说明数值模拟结果与实际情况是相符的。

表2 有限元数值运算的结果Table 2 The results of the finite element calculation

3.2 胶层应力应变分布

胶层与粘接基材属于异类材料，二者胶合所形成的界面黏结层在受力时将产生抗剪切和一定的滑移反应，对胶合试件的性能造成重要影响，因而了解胶合板材结构中胶层的应力应变分布是极其有意义的，同时这些研究结果也有助于揭示胶黏剂与木材的界面力学作用机制和粘接机理。下面通过后处理器的数值处理模块的操作获得胶层在载荷作用下的应力应变分布情况。首先通过节点或坐标位置定义胶合试件模型上的路径轨迹，将结果数据映射到上述设定的处理数据的路径上，再根据映射的数据绘制各种应力应变图。最后从绘制的图上可以观察到沿路径上某结果项的分布状态，研究结果数据的分布规律。

图10和图11分别是垂直胶层方向和胶层中心各节点的应变分布曲线。由图10可以看出，这三种模型在垂直胶层方向上各节点的应变分布比较类似，硅酸盐胶合模型1和模型2的应变分布曲线非常相近，X轴应变分量远大于剪切应变和Y轴应变分量，这说明沿着X轴方向存在1-2个节点，这两个节点可能是最大的应力释放点。与此相比，脲醛树脂胶合模型的X轴应变分量呈现出3个分开的峰的特点，似乎应变分量比硅酸盐胶合模型小一些，这可能与脲醛树脂具有比较高的泊松比有关。另外，从图11中可以观察到，这三种有限元模型的胶层中心应变分布曲线差别比较大，对于硅酸盐胶合模型1，在所取中心范围内，其外围的节点有着比较高的应变，中心点的应变较低，同时剪切应变大于X轴和Y轴应变分量，即以剪切应变为主。对于硅酸盐胶合模型2，其Y轴应变分量高于X轴应变分量和剪切应变，而且曲线是上凸状，说明应变主要集中在纵向。脲醛树脂胶合模型的X轴应变分量高于Y轴应变分量和剪切应变，中心附近的的应变分散较为均匀，说明脲醛树脂的力学性能与粘接基材比较接近，更有利于提高粘接性能。

从图12和图13可以看到，这三种胶合材料模型的界面胶层应变分布曲线和应力分布曲线基本一致，应变大的区域应力也大，说明界面胶层的应变是由应力集中引起的。仔细分析应变和应力曲线，可以发现这三种胶合模型的界面胶层应变都是以剪切应变为主，其次是X轴应变和Y轴应变，而应力分布曲线表明，X轴应力是引起应变的最大原因，其次是剪切应力和Y轴应力。由于所选研究分析应力和应变的区域是胶合模型的两个凹槽之间的区域，凹槽处是应力的集中部位，所以应力和应变曲线的两端都有比较高的应力和应变，这与实际情况相符合。上述有规律的分布结果与所采用的粘接材料相同有关。从本研究的胶层界面的应力和应变分布情况来看，胶黏剂的类型以及胶层的厚度对胶层界面的应变和应力分布是没有影响的，这与文献[8]中的结论是一致的。其他更多的研究以及验证性试验还有待于开展和深入。

图10 垂直胶层方向各项应变分布Fig.10 Distribution of strains normal to the glueline

图11 胶层中心各项应变分布Fig.11 Distribution of strains in the center of the glueline

图12 胶层界面应变分布Fig.12 Strains distribution in the interface of the glueline

图13 胶层界面应力分布Fig.13 Stresses distribution in the interface of the glueline

4 结 论

（1）本文研究发现可以采用有限元模拟的方法对杨木胶合试件模型进行结构静力学分析，得到胶合模型在外载荷作用下的模型位移云图以及各项应力应变分布云图，并可以通过后处理器得到胶层各项的应力应变分布曲线，实现胶层界面分析。

（2）胶层厚度相同的硅酸盐胶合模型和脲醛树脂胶合模型、不同胶层厚度的硅酸盐胶合模型均具有不同的应变和应力分布云图，根据分析结果可以预测胶合试件的粘接情况。对比研究发现，同样条件下，脲醛树脂胶合模型的各节点承受更低的应力，从而粘接性能更好。

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Tensile stress analysis of silicate adhesive/poplar veneer gluing specimens based on ANSYS

ZHANG Xinli, SHE Jiarong, LIAO Youwei
(College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to predict and evaluate the performance of the bonding properties and interface forces between silicate adhesive and wood, the mechanical behavior of the test specimens for bonding strength was simulated using the finite element software ANSYS under tensile loading condition. The distribution of displacement deformation, shear stress and strain of the specimens was analyzed in the process of loading, as well as the distributions in the center of adhesive layer, the vertical layer direction and the bonding interface. The effect of adhesive type and layer thickness of adhesive on the bonding strength was discussed with experiment and simulation. The result was guidance for the research of interface mechanical and the prediction of bonding strength of specimens.

finite element; ANSYS; bonding interface; stress and strain

S781.65；TP274

A

1673-923X(2017)02-0091-10

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.02.015

2015-08-10

国家自然科学基金（31300485）；高等学校博士学科点专项科研基金（20124321120001）；湖南省青年骨干教师培养对象资助课题

张新荔，博士，副教授；E-mail： xlzhang2011@yeah.net

张新荔，佘佳荣，廖有为. 基于ANSYS的硅酸盐/杨木胶合试件的拉伸受力分析[J].中南林业科技大学学报，2017,37(2): 91-100.

[本文编校：吴 彬]