材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析
2019-03-25徐喻琼
徐喻琼
摘要：采用二维有限元方法分析了金属胶接单搭接接头中5种胶粘剂对接头应力分布和弯矩因子的影响。胶粘剂为弹性模量不同的5种树脂，为了体现材料特性的显著差别，每种树脂的弹性模量彼此相差近10倍。弹性模量越大，胶层中剪应力的峰值、幅值越大。同时，弯矩因子也随胶层弹性模量的增大而显著提高。故选用弹性模量在千MPa数量级左右的胶粘剂，这样可以发挥胶粘剂的使用性能并提高接头的承载能力和稳定性。
关键词：胶接;有限元;材料特性;弯矩因子
中图分类号：TG491文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）05-0046-03
随着工业的发展，胶接接头越来越受到重视，现已广泛应用于航天、汽车和市政等工程中。与其他连接方式相比，胶接接头具有应力分布均匀，缓解应力集中，从而使结构具有更好的耐疲劳特性。胶接接头的承载能力取决于胶层的材料属性、几何形状和使用环境等多种因素。材料特性的选择对胶接接头应力分布的影响规律、材料选择和接头优化形式等都具有重要意义。
单搭接接头是金属胶接中最常用的接头形式，因其结构简单在胶接剂强度试验中广泛应用。作者采用单搭接接头形式进行胶接，并建立相应的有限元模型，研究胶粘剂材料特性对接头应力分布和弯矩因子的影響，确定了弹性模量对接头应力分布和弯矩因子的影响规律，所得结论对胶粘剂的选用和胶接接头的设计具有指导意义
1计算模型
有限元计算模型为典型的胶接单搭接接头形式，采用国家标准GBml242008《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法（刚性材料对刚性材料）》的标准试样尺寸，如图1所示。被粘物为A3钢，胶粘剂为弹性模量不同的5种树脂，为了体现材料特性的显著差别，每种树脂的弹性模量相差约10倍。假设被粘物和胶粘剂均为各向同性材料。材料的性能参数如表1所示。
因接头的宽度远大于胶层的厚度，在平面应力问题下，可以采用二维弹塑性有限元方法分析胶接接头的应力分布。单元类型选择8结节四边形单元PLANE82，被粘物和胶层都分为10层，非搭接区单元长度为0.5mm。为了更好地分析胶层中的应力，对搭接区及附近2.1mm区域细化网格，单元长度为0.2mm。有限元模型中共有单元5510个，结点17441个。为模拟实验条件，对接头的2端施加约束，利用ANSYS软件分析均布载荷40MPa（即外载2kN）时接头的应力。分析中，假设所加载荷在材料的弹性范围内。有限元分析的网格如图2所示。
2计算结果
2.1弹性模量对接头应力分布的影响
当试样截面积不变时，试样的刚度主要取决于材料的弹性模量，因此，弹性模量能表征材料的变形能力。相同外载下，弹性模量高的材料变形能力差，弹性模量低的材料变形能力强。胶粘剂是一种高分子聚合物，其弹性模量会随温度的变化而改变，直接影响胶接接头的承载能力。
在外力P的作用下，单搭接接头主要存在3种应力：被粘物上平等于外力的拉伸应力、胶层中的剪切应力、胶粘剂和被粘物界面上因外力作用于不同轴而引起的垂直于胶接面的剥离应力。由于应用胶接接头时主要利用其剪切应力，因此，本研究在分析接头连接中，选用弹性模量不同的5种树脂之胶层中间平面的剪应力。
图3给出了胶层中间平面剪应力的分布。剪应力在搭接长度上的分布，由直线型向圆弧型最后向锅底型变化。胶层的相对最大剪应力出现在搭接区端部，弹性模量越大，胶层中的剪应力越大。随着胶粘剂弹性模量的增大而提高，应力集中程度增加，且相对最大剪应力部位向搭接区的内部略有推进。
为了说明弹性模量的变化对胶层中间平面极端剪应力的影响，将弹性模量的值（以MPa为单位）取对数，分析了胶层中间平面的相对最大、相对最小剪应力。
由图4可知：随着弹性模量的增大，胶层剪应力的峰值、幅值都在增加，当E≤5000MPa时，剪应力的变化较稳定。因此，为了充分发挥胶粘剂的使用性能，提高胶接接头的承载效率，建议选用弹性模量在千MPa数量级左右的胶粘剂。
2.2弹性模量对接头弯矩因子的影响
单搭接接头在工程中的应用相对最广泛，但因受力偏心会产生弯矩，导致接头在承载后变形。本研究选用数值方法分析了弹性模量对接头搭接区弯矩因子的影响，边界条件和载荷情况如图1所示。取搭接区端部被粘物的上表面点A、下表面点B处的纵向应力σA、σB，计算弯曲应力σO和弯矩M。（见式1～3）。
（T为被粘物单位长度的拉力，N/m）
为了便于分析，在图5中仍将弹性模量的值（以MPa为单位）取对数。从图5可以看出，弯矩因子k随10gE的增大而呈明显的上升趋势。由2.1的分析可以看出，当胶粘剂的弹性模量较大时，胶层的剪应力相应较大，若此时胶层处于自由状态，其变形也会相应较大。但在胶接接头中，胶层的变形受刚性被粘物的拘束而产生较大的弯矩应力来反抗接头变形。所以接头中选用弹性模量较大的胶粘剂会产生较大的弯矩，即弯矩因子较大。
3结论
（1）弹性模量越大，胶层中剪应力的峰值、幅值越大。
（2）弹性模量越大，胶接接头的弯矩因子越大。
（3）为了充分发挥胶粘剂的使用性能，同时提高接头的承载能力和稳定性，胶接接头中宜选用弹性模量在千MPa数量级左右的胶粘剂。
