单搭接胶接接头弹性应力的二维分析方法_赵波

复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究张阿盈【摘要】胶接是复合材料结构主要连接方法之一，对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。

在初步设计阶段，一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。

针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头，在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上，提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法，该方法考虑了被胶接件的剪切变形，认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形，剪应力沿该半厚度呈线性分布。

算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果，可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。

%Adhesively bonding is an important joint method in composite structures. The stress analysis of adhe sively bonded joint is the key to guarantee safety and durability of composites. Currently, in structure initial design stage, joint stress analysis and parametric study are normally performed with analytical methods. Based on the theoretical solution of Tsai, et al （TOM method）, an improved theoretical solution for adhesively bonded single-lap and double-lap joints is proposed, the shear effect in adhesive layer is considered. It is assumed that shear strain only exists in the half thickness of the adhesive layer. The results of improved analytical solution are compared with simulation results of finite element method as well as other existing methods, and show that the improved solutions are more close to numerical results than that of other existing theoretical ones for composite laminates. The proposed method caneffectively estimate shear stress distributions of adhesively bond composite lap joint.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2012(003)002【总页数】7页(P167-173)【关键词】复合材料;胶接接头;双搭接;单搭接;胶层;剪应力【作者】张阿盈【作者单位】中国飞机强度研究所,西安710065【正文语种】中文【中图分类】V214.80 引言胶接是复合材料结构主要连接方法之一，由于其结构轻、连接效率高、耗时少、成本低、疲劳性、密封性能好等优点，在航空结构上得到了越来越广泛的应用。

车用结构胶弹塑性本构方程的试验与仿真研究王华锋;王宏雁;陈君毅【摘要】通过胶条拉伸试验和厚粘附体胶接接头剪切试验,得到车用结构胶拉伸与剪切的应力-应变曲线和基本力学性能参数.根据塑性增量理论和采用的Hill屈服准则,建立了车用结构胶的弹塑性本构方程,得到ANSYS仿真的验证.研究的结果表明,采用ANSYS提供的BISO+ Hill材料模型能准确地模拟车用结构胶的力学性能.%Based on adhesive strip tensile test and thick adherends shear test, the stress-strain curves for tensile and shear and the basic mechanical property parameters of vehicle structural adhesives are obtained. By fur ther applying the incremental theory of plasticity and adopting Hill yield criterion, the elastic-plastic constitutive e quations of vehicle structural adhesives are established and then validated by simulation with ANSYS. The results of the research show that using BISO + Hill material model in ANSYS can accurately simulate the mechanical properties of vehicle structural adhesives.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2012(034)002【总页数】5页(P154-158)【关键词】结构胶;弹塑性本构方程;Hill屈服准则;ANSYS【作者】王华锋;王宏雁;陈君毅【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;广西大学机械工程学院,南宁530004;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804【正文语种】中文前言近年来，胶接工艺因其诸多优点而得到国内外众多汽车制造企业的广泛关注，从而使车用结构胶在许多车型上得到实际应用。

胶的粘弹性仿真建模经验总结工程中使用的大部分胶黏剂都属于粘弹性材料，其力学行为具有很强的时间相关性，表现出典型的“蠕变”（恒定外力下，材料的变形随加载时间的增加而逐渐增大）或“松弛”（恒定变形下，材料的应力随加载时间的增加而逐渐衰减）现象．上述特性又进一步影响粘接结构的力学行为，导致粘接结构在使用过程中，其结构应力随着加载时间的增加而逐渐变化．因此，合理地分析粘接结构应力分布，必须准确描述胶黏剂的时间相关力学特性．传统只定义弹性模型、泊松比仅对小应力下部分硬的胶水适合。

本文对胶水的粘弹性建模进行总结。

框架： 1. 粘弹性本构模型简介2. 弹性模量、剪切模量、体积模量、泊松比之间的关系3. 有限元建模4. 调研的几款胶水粘弹性模型的材料参数一、粘弹性本构模型简介二、弹性模量、剪切模量、体积模量之间的关系不像金属材料，胶黏剂的线弹性本构模型，有些文献输入的是弹性模量与泊松比。

有些是输入体积模量与剪切模量。

因此需要对这几个概念进行理清。

杨氏模量弹性模量：测试方法：GB/T 1040-2006 或GB/T 528-2009剪切模量的测试标准：ASTM D3983-98 ASTM E 229-1992 结构粘合剂剪切强度和剪切模量的测试方法如上，材料的杨氏模量、泊松比、体积模量和剪切模量四个变量只有两个变量是独立的。

对于金属通常线弹性模型经常输入弹性模量、泊松比是因为这两个参数比好测量或获取。

三. 胶水结构的粘弹性有限元建模粘弹性材料数据源自文献。

后处理：应力场分布后处理：胶与基板的界面线上的应力分布。

红色为不考虑粘弹性影响，蓝色为考虑粘弹性。

从中可看出，两者应力分布存在明显差异。

对粘结剂应力较大或施加应力时间较长，需要考虑其应力松弛或蠕变效应。

摘要复合材料结构的连接形式主要分为胶接和机械连接，随着复合材料在航空航天领域的广泛应用，胶接因其在复合材料结构连接中的优良特性日益受到结构设计人员的青睐，具有连接效率高、结构轻、抗疲劳、密封性好等优点。

然而胶接设计也具有很大的挑战性，在结构强度计算中，胶接连接接头部位一般为危险部位，需要重点校核。

所以，对复合材料胶接接头的设计分析是十分必要的。

本选题利用成熟的有限元商用软件ABAQUS，使用XFEM（扩展有限元法）对胶层和复合材料层的应力场等进行分析。

通过分析计算这些应力，同时应用相应的失效准则，进而可预测初始裂纹的扩展与否及扩展的长度，为胶接接头设计的选择提供必要的依据。

在文章中，讨论了胶接长度、胶层厚度和初始裂纹的位置对裂纹扩展的影响。

通过对仿真结果的分析，提出了减小胶接长度和胶层厚度的观点，指出裂纹易于产生及扩展的区域，对胶接接头的设计进行了优化。

胶接接头的优化设计对拓宽复合材料在飞机结构上的应用范围，进一步减轻结构重量、提高疲劳性能和降低制造成本具有重要的工程使用价值。

关键词:复合材料板胶接接头扩展有限元裂纹扩展AbstractThe joint methods of composite structure contain cementing and mechanical connection.. With the use of composite in the field of aviation increased a lot in recent years for its high strength and lightness, the cementing is increasingly favored by the structure design staff for its excellent characteristics in the connection field of composite structure. The characteristics are high ligation efficiency, light structure, antifatigue and good sealing. However, glued design also has a great challenge. In the structural strength calculations, glued joints are generally connected to dangerous parts and need to focus on checking. Therefore, the design and analysis of composite bonded joint is very necessary.The topic use the sophisticated and commercial software -ABAQUS, in the field of finite element, and use XFEM ( extended finite element method ) as the foundation to analysis the stress field of bonding layers and composite layers. By analyzing and calculating these stresses, while applying the appropriate failure criterion, we can predict the initial crack extension and the length of the expansion. In this way, it can provide the necessary basis for the design of bonding joints. In the article, we discussed the impact of the bonding length, layer thickness and initial crack location on crack propagation. Through the analysis of simulation results, we presented two standpoints of reducing the length of bonding joint and the thickness of adhesive. Besides, we pointed the areas where cracks are easy to generate and expand. Optimal design of adhesive joints in composite materials has important engineering value to broaden the scope of application of the aircraft structure and further reduce the structural weight, improve the performance of fatigue and reduce manufacturing costs.Keywords:Composite plates, Adhesive joints, XFEM, Crack extension目录摘要 (I)Abstract ....................................................... I I 目录.......................................................... I II 第一章引言.. (1)1.1导言 (1)1.2胶接连接 (2)1.2.1 简介 (2)1.2.2胶接连接应当注意的问题 (3)1.2.3胶接连接研究现状 (3)1.3 胶接接头 (4)1.3.1胶接接头简介 (4)1.3.2胶接接头的基本形式 (5)1.3.3胶接接头的破坏模式 (6)1.3.4胶接接头处可能出现的裂纹及其影响 (7)第二章复合材料损伤和胶接连接的力学模型 (8)2.1导言 (8)2.2复合材料层板强度预测 (8)2.3复合材料和胶层断裂准则 (10)第三章利用ABAQUS建立复合材料胶接接的有限元模型 (13)3.1扩展有限元方法和工程软件ABAQUS简介 (13)3.1.1传统有限元方法 (13)3.1.2扩展有限元方法及基本原理 (14)3.1.3ABAQUS简介 (15)3.2利用ABAQUS建立复合材料板胶接模型的过程 (16)3.2.1几何模型的建立和约束条件 (16)3.2.2材料属性 (17)3.2.3定义接触 (19)3.2.4 对于XFEM定义 (19)第四章基于裂纹扩展分析的单面搭接接头设计 (21)4.1复合材料胶接接头在纵向载荷下的受力分析 (21)4.2不同搭接长度下胶接接头的裂纹扩展情况 (23)4.2.1搭接长度为15mm的情况 (23)4.2.2搭接长度为10mm的情况 (25)4.2.3搭接长度为20mm的情况 (26)4.2.4不同搭接长度下裂纹情况的对比及结论 (28)4.3不同胶层厚度下胶接接头的裂纹扩展情况 (29)4.3.1胶层厚度为0.1mm的情况 (29)4.3.2胶层厚度为0.2mm的情况 (31)4.3.3胶层厚度为0.3mm的情况 (33)4.3.4不同胶层厚度下裂纹情况的对比及结论 (34)带五章基于裂纹扩展的斜面搭接接头设计 (37)5.1斜面搭接接头在纵向载荷下的受力分析 (37)5.2不同裂纹位置下胶接接头的裂纹扩展情况 (38)5.2.1选取的三种不同裂纹位置 (39)5.2.2裂纹的扩展情况 (40)5.2.3三种情况对比及结论 (42)5.3单面搭接和斜面搭接情况的对比 (43)第六章全文总结及展望 (46)6.1全文总结 (46)6.2展望 (47)致谢辞 (49)参考文献 (50)第一章引言1.1导言复合材料作为一种新材料，在最近的半个多世纪中飞速发展，由于复合材料采用纤维加强结构，使得复合材料具有比重小、比强度和比模量大的特点，并且由于采用的是铺层结构，制造过程简单，容易成型。

CFRP-铝合金板单、双搭接胶接接头刚度退化机理
邹田春;李龙辉;巨乐章;符记;李晔
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2022(36)19
【摘要】使用碳纤维增强复合材料(CFRP)和铝合金在常温下制备不同搭接长度的单、双搭接胶接试验件,探究不同搭接长度下接头拉伸破坏特点与失效形貌。

首先,利用电子万能试验机、数字图像相关(DIC)技术和扫描电子显微镜(SEM)进行拉伸试验,获得胶接接头载荷-位移曲线、表面应变分布和破坏形貌。

其次,依据试验数据,利用仿真软件建立试验件模型,使用3D Hashin和内聚力模型(CZM)模拟复合材料与胶层的损伤,将仿真结果与试验结果对比,验证仿真模型的有效性,获得胶层和前三层树脂层的破坏形貌。

最后,分析试验和仿真结果,对比单、双搭接接头应变分布特点与破坏过程,探究不同搭接长度下单、双搭接接头的失效机理。

结果表明:单、双搭接接头应变分布差异较大,单搭接接头因受到剪切与剥离载荷的耦合作用而发生损坏,双搭接接头则受到纯剪切破坏。

由于单、双搭接接头在拉伸载荷作用下的应变分布不同,两者的裂纹扩展路径有较大差异。

【总页数】6页(P151-156)
【作者】邹田春;李龙辉;巨乐章;符记;李晔
【作者单位】中国民航大学适航学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.金属单搭胶接加强板接头力学性能分析
2.板厚、温度和速度对单搭接胶接接头强度的影响
3.刚度不平衡单搭接胶接接头剪切试验与强度分析
4.搭接长度对CFRP 单搭接胶接接头拉伸性能及破坏特征的影响
5.搭接长度对CFRP-铝板胶铆接头力学性能的影响
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胶粘剂拉伸强度试验标准在胶接接头受拉伸应力作用时，有三种不同的接头受力方式。

(1)拉伸应力与胶接面互相垂直，并且通过胶接面中心均匀地分布在整个胶接面上，这一应力均匀拉伸应力，又称正拉伸应力。

(2)拉伸应力分布在整个胶接面上，但力呈不均匀分布，此种情况称为不均匀拉伸。

(3)与不均匀拉伸相比，它的力作用线不是捅咕试样中心，而偏于试样的一端；它的受力面不是对称的，而是不对称的，这种拉伸叫不对称拉伸，人们有时将这一试验叫撕离试验或劈裂试验，以示与剥离相区别。

一.拉伸强度试验(条型和棒状)拉伸强度试验又叫正拉强度试验或均匀扯离强度试验。

1.原理由两根棒状被粘物对接构成的接头，其胶接面和试样纵轴垂直，拉伸力通过试样纵轴传至胶接面直至破坏，以单位胶接面积所承受的最大载荷计算其拉伸强度。

2.仪器设备拉力试验机应能保证恒定的拉伸速度，破坏负荷应在所选刻度盘容量的10% -90%围。

拉力机的响应时间应短至不影响测量精度，应能测得试样断裂时的破坏载荷，其测量误差不大于1%。

拉力试验机应具有加载时可与试样的轴线和加载方向保持一致的，自动对中的拉伸夹具。

固化夹具，能施加固定压力，保证正确胶接与定位。

3.试验步骤(1)试棒与试样试棒为具有规定形状，尺寸的棒状被粘物。

试样为将两个试棒通过一定工艺条件胶接而成的被测件。

除非另有规定，其试棒尺寸见表8-4。

其试样尺寸的选择视待测胶黏剂的强度，拉力机的满量程，试棒本身材质的强度以及试验时环境因素而定。

表8-4 圆柱形与方形试棒尺寸用于试棒加工的金属材料有45号钢，LY12CZ铝合金，铜，H62黄铜等。

非金属材料有层压塑料等。

层压制品试棒，其层压平面应与试棒一个侧面平行，试棒上的销孔应与层压平面垂直。

试棒的表面处理，涂胶及试样制备工艺，应符合产品标准规定。

胶接好试样，以周围略有一圈细胶梗为宜，此时不必清除，若需清除余胶，则应在固化后进行。

(2)试验在正常状态下，金属试样从试样制备完毕到测试之间，最短停放时间为16h，最长为1个月，非金属试样至少停放40h。

复合材料单搭胶结接头剪切试验及应力分析张少锋;张博;罗琴;欧永【摘要】本研究通过单轴拉伸试验实现复合材料单搭胶结结构胶面剪切破坏测试,获得了结构的极限剪切强度,同时利用解析法和仿真模拟方法分析了胶层的剪切应力状态.研究结果表明:胶结件的破坏为胶层与搭接板间的脱粘破坏,无胶层内聚破坏;胶层横断面中部剪切应力值最低,胶结区端部产生应力集中,端部应力最大;胶层存在剪切应力的同时,也存在垂直于胶结面的拉应力,其破坏原因是剪应力和拉应力的综合影响结果;平均剪切应力计算结果显示:试验值、理论值和仿真结果分别为8.9 MPa、9.5 MPa和9.2 MPa,理论结果和仿真结果的应力变化趋势一致,理论解和仿真解与试验值的误差均在7％以内,理论分析和仿真模拟可实现胶结结构剪切应力的可靠预报.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】6页(P39-44)【关键词】复合材料;胶接结构;断口分析;应力分析;仿真模拟【作者】张少锋;张博;罗琴;欧永【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所,广州 510610;广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广州 510610;广东省工业机器人可靠性工程实验室,广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广州 510610;广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广州 510610;广东省工业机器人可靠性工程实验室,广州 510610;工业和信息化部电子第五研究所,广州 510610;广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广州 510610;广东省工业机器人可靠性工程实验室,广州 510610;泰州赛宝工业技术研究院有限公司,泰州225500【正文语种】中文【中图分类】V258引言轻质、高比刚度、高比强度的先进复合材料在工程领域中的应用越来越广泛，尤其是航空航天领域，先进复合材料在飞行器上应用的部位和用量已成为衡量飞机结构先进性和民机技术与市场竞争力的重要指标之一。

复合材料损伤结构胶接补强修补分析及设计孟凡颢1,2,陈绍杰2,董善艳1,童小燕1(1,西北工业大学飞行器结构完整性研究所,西安,710072)(2,沈阳飞机设计研究所,沈阳,110035)摘　要　对复合材料层合板采用20节点等参元、对于胶层采用节理单元建立有限元分析模型,并针对胶接补强修补的两种形式———贴补和挖补编制了相应的三维有限元分析程序,进行静力分析,获得了修补参数对修补效果的影响曲线,据此来初步确定最佳的修补参数。

关键词　复合材料;胶接修补;有限元分析先进复合材料是60年代中期崛起的一种新型材料,由于具有比强度和比刚度高、可设计性等优异特性,目前已在航空航天结构上获得了广泛应用[1]。

考虑到复合材料在直升飞机结构上大量应用的事实及复合材料的自身特点,对直升机复合材料结构进行修理研究就显得尤为必要而且迫切。

国内对复合材料的修理研究开展的较晚,近期,我们与哈飞设计所对直升机复合材料结构的修理技术课题进行了合作研究,取得了很好的成果。

不仅在理论方面进行了卓有成效的探索,而且也积累了很多宝贵的试验数据。

本文着重讨论了补贴和挖补中复合材料补片胶接补强受损复合材料母体这一结构修补方式的受力分析及修补参数如:补片尺寸、厚度、胶层厚度、楔形角等的初步优化。

1　有限元模型修补结构胶层的受力状态是一种很复杂的三维应力状态,其应力状态随位置、胶层厚度、被粘物材料等的变化而变化。

而且在用复合材料补片修补复合材料受损母板时,结构内应力呈现比较复杂的三维应力状态。

此时,若采用经典层合板理论或Mindlin 一阶剪切变形层合板理论来分析,已不能满足计算要求。

有鉴于此,本文采用三维有限元方法来分析修补结构局部的应力、应变。

作者用20节点等参单元来划分复合材料母板和补片,用16结点节理单元来划分胶层,用这两种有限单元的组合来描述胶接修补结构(如图1所示),并在Fortran 环境下自行编制了有限元分析程序对挖补和贴补两种形式的复合材料胶接修补结构进行了静力分析。

树脂基复合材料单搭接胶接有限元模拟祁发强，严科飞，张鹏飞，王锴，张泽茹（中国航天科工集团第六研究院，内蒙古红岗机械有限公司，010010）摘要：采用有限元方法以及试验的方法分析了有无垫板，垫板长度以及搭接长度对胶接试样胶接区域应力分布的影响。

结果表明：有无垫板，垫板长度以及搭接长度对胶接试样搭接区域内的应力分布影响非常明显，并且随着垫板长度的增加以及搭接长度的增加，搭接区域内的应力的分布趋于均匀化，且粘接区域两端应力集中现象有所减小，其粘接强度也随之增大。

关键词：有限元试验胶接垫板粘接强度引言胶接结构由于其具有零件数目少、重量轻、连接效率高，抗疲劳、密封、减振及绝缘性良好等特点，在航空航天领域取得了广泛的应用，成为重要的连接结构形式之一。

胶接结构的强度研究也一直是关注的焦点之一，在实际工程应用中，其强度除取决于被粘物和胶黏剂自身的力学特性外，还受到被粘物、胶层及搭接尺寸的影响。

研究这些因素对胶接接头强度的影响规律，对选择材料、优化接头设计都有重要意义。

宋冬利[1]研究了接头形式对胶接强度的影响，得到了不同接头形式下的应力分布情况，李刚[2]等研究了钢板和铝合金板胶接接头的应力集中情况，曹平心[3]通过分析，给出了单搭接接头承载能力与搭接长度的关系曲线，郭霞[4]等利用有限元软件模拟了搭接长度对复合材料单搭接胶接接头的影响。

本文采用有限元的方法，分析了有无垫板，垫板长度以及搭接长度等几何尺寸对胶接结构粘接区域部位应力分布的影响，为合理设计接头提供依据。

这与胶接结构件的使用寿命、耐久性、安全性等问题密切相关。

1 有限元分析1.1 模型尺寸本文采用有限元建模分析单搭接模型在拉伸载荷作用下的应力分布。

参照ASTMDl002—0l standa—Test Method for Apparent Shear Strength of Sinde-Lap-J0int Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading(Metal—to-Metal)和GBT 7124—2008胶黏剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)，本文选择试件的几何尺寸如图1及图2所示：图1 未添加垫板试样示意图图2 添加垫板试样示意图试样板厚度为3mm，粘接剂厚度为0.5mm；1图1及图2中各尺寸如表1：表1 试样尺寸项目长度(mm)试样板长度L1 100垫板长度L2 50/70/82.5试样宽度H 25夹持长度C 37.5搭接长度D 10/12.5/151.2边界条件根据实际拉伸试验，对于未添加垫板试样，固定夹持端限制其全部位移，而荷载施加端在夹持时，由于试样两端与试验机夹具不在同一平面内，造成了在夹具夹紧时，会迫使荷载施加端跟随夹具一起靠向试验机夹具中面并最终于另一端处于同一平面内，所以荷载施加端存在初始的Y方向位移A，位移量大小为试样板厚度与粘接剂厚度之和，本文中，该位移为3.5mm。

专利名称：一种提高焊接接头对拉伸应力抵抗能力的焊接方法专利类型：发明专利
发明人：刘振伟,鲍雪君,杨烽,李曜,许海龙
申请号：CN202011072938.6
申请日：20201009
公开号：CN112453659A
公开日：
20210309
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种提高焊接接头对拉伸应力抵抗能力的焊接方法，步骤包括，1)焊材选择：优选埋弧焊焊接材料；2)坡口加工：在母材上加工坡口，坡口从上而下依次为V型、U型和钝边，单边V型坡口角度20‑60°，钝边深2mm以上，U型坡口的直边连接V型坡口的斜边；3)待焊区域清理：坡口及其两侧及待焊部位的表面铁锈、氧化皮、油污、水分和脏污清理；4)试板组对：将母材组对，并定位焊接，并焊拘束焊；5)焊剂烘干；6)焊接工艺参数设置；7)焊接：先进行打底焊，然后正面填充、正面盖面，接着对母材反面进行碳弧气刨清根，再完成反面焊接；8)焊缝检查与探伤。

实现了焊接接头变形小、无焊接结晶裂纹和冷裂纹等缺陷，提高了焊接接头对残余拉伸应力的抵抗能力。

申请人：江阴兴澄特种钢铁有限公司
地址：214400 江苏省无锡市江阴市高新区滨江东路297号
国籍：CN
代理机构：北京中济纬天专利代理有限公司
代理人：赵海波
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