第26卷 第4期
2006年8月
航 空 材 料 学 报
JOURNAL OF AERONAUTI CA L MATER I ALS
Vol .26,No .4Aug ust 2006
胶粘剂弹性模量对铝合金单搭接接头
应力应变分布的影响
严沾谋,游 敏,余海洲,龚正朋
(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)
摘要:利用弹塑性有限元法研究胶粘剂的弹性模量对单搭接接头应力应变分布的影响。结果表明,随着弹性模量的增加,接头的应力峰值逐渐增大,并由胶层向胶瘤转移,其刚度越大,应变越小。低弹性模量胶粘剂的接头,载荷主要由胶层承担,胶层受力很均匀,而胶瘤的作用很小,胶瘤并没有很大地降低胶层中的应力峰值。高弹性模量胶粘剂的接头,胶瘤的作用很大,承担了很大一部分载荷,而胶层中部受力很不均匀。关键词:弹性模量;单搭接接头;胶瘤;应力应变分布;有限元法
中图分类号:T G49 文献标识码:A 文章编号:100525053(2006)0420039204
收稿日期522;修订日期522作者简介严沾谋(),男,硕士研究生。通讯作者游敏(2)y @。
胶接技术作为新兴的连接技术具有高的强度重量比等优点,广泛应用于航空航天等领域。但与传
统焊接技术相比,由于强度较低,限制胶接技术的应用。影响胶接接头强度的因素很多,尤其是胶粘剂的性能,如弹性模量,以及接头形式,如胶瘤等。近年来这方面的研究取得进展,但对弹性模量的研究主要集中在研究弹性模量对混合接头(尤其是胶焊接头)的应力分布和强度的影响。常保华等运用弹塑性有限元法和试验研究了胶粘剂的弹性模量对单搭接胶焊接头应力应变分布和强度的影响。研究表明,胶粘剂的弹性模量对接头应力应变分布和强度的影响很大[1～4]
。胶粘剂的弹性模量低时,胶层中剪应力小而焊点边缘处存在明显应力集中;胶粘剂弹性模量增大时,接头中焊点边缘处应力减小而胶层中剪应力增大。G ordon Kelly 通过试验和有限元研究混合接头(胶2螺)表明,采用低弹性模量时,混合接头比胶接接头强度更高、刚度更大、疲劳寿命更长,采用高弹性模量时,混合接头仅能增长疲劳寿命,对强度并无帮助。但研究胶粘剂弹性模量对纯胶接接头应力应变和强度的影响较少。Terr y L.Gordon 等研究表明,弹性模量和表面能低的被粘物采用弹性模量和表面能低的胶粘剂使单搭接接头的性能更好,而弹性模量和表面能高的被粘物,采用弹性模量和表面能高的胶粘剂使单搭接接头的性能更
好。此外,晏石林等研究表明,随着被粘物模量比的增大,胶层应力分布不均匀程度也随之增大。郭亚
军等研究表明,胶粘剂的剪切模量对层板的分层扩展速率的影响不大,可不予考虑。R.D.亚当斯等研究了胶瘤存在对胶层内应力分布的影响。结果表明,胶瘤存在极大降低胶层中的应力峰值。I .Pires 和M.D.Fitt on 通过有限元法和试验研究了混合胶粘剂对单搭接接头应力分布和强度的影响,发现混合胶粘剂可提高单搭接接头的强度,但没有考虑胶瘤作用。实际上,并不是对所有胶粘剂,胶瘤都能很大地降低胶层中应力峰值。作者正是基于此,通过有限元法和试验研究了胶粘剂的弹性模量对单搭接接头应力应变分布的影响,试验结果与有限元数值分析大致相吻合,限于篇幅,试验部分将另文发表。
1 有限元模型与网格
利用ANSYS 有限元软件建模和网格划分。被粘物采用G B 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100mm ,宽25mm ,厚2mm ,胶层厚度0.2mm (图1)。被粘物和胶层采用广义平面应变单元P LANE183,利用二维单元选项模拟三维变形,结果符合实际,并对四变形单元和三角形单元具有好的融合性。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,其余部分划分为四变形单元
(图和3)。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弹塑性性能(表)。
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