【正文】 膠焊接頭應(yīng)力分布的數(shù)值模擬畢業(yè)論文 研究背景及意義膠焊接頭是指由電阻點焊和搭接部位上的膠層所形成的連接接頭 [13]。點焊、膠接、膠焊技術(shù)三者的優(yōu)缺點見表 1。膠焊接頭中由于存在焊點，彌補了膠接接頭高溫性能差、持久強度低、膠層老化、性能分散性大等不足；膠焊接頭中的膠粘劑使焊點附近應(yīng)力集中減小，接頭強度提高，尤其是疲勞性能得到顯著的改善，膠層還阻止了腐蝕介質(zhì)與焊點區(qū)域的接觸，腐蝕速率顯著降低，消除了點焊搭接區(qū)的腐蝕問題，膠粘劑還能提高接頭的噪音阻尼特性，使膠焊結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的聲學(xué)性能。這樣，膠焊接頭不僅具有點焊接頭重量輕、靜強度高(剪切強度為鉚接的 340%，點焊的 200%)、可靠性好的優(yōu)點，又具有膠接接頭良好的疲勞特性和密封性(可使鋁件進(jìn)行陽極氧化處理而不腐蝕焊點)，力學(xué)性能十分優(yōu)良。同鉚接相比，膠焊結(jié)構(gòu)重量輕，接頭外形光滑，能提高飛行器外形的平滑性和氣密性，改善氣動力學(xué)性能。這一優(yōu)點對于航空、航天工業(yè)具有重要意義 [36]。膠焊工藝最早主要應(yīng)用于鋁合金、鈦合金、硼鋁復(fù)合材料的連接。現(xiàn)已用于低碳鋼、不銹鋼、有機涂層或金屬涂層鋼板(如汽車用鍍鋅鋼板) 和控軋鋼板的連接。膠焊技術(shù)在異種材料的連接上應(yīng)用潛力很大，有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景，有可能實現(xiàn)用現(xiàn)有連接工藝無法完成的異種材料的連接。膠焊接頭一般有兩種方式成形，一種形式先由點焊形成連接，隨后將膠粘劑填入接頭上的間隙中，最后加熱固化；另一種形式是先用膠粘劑膠接構(gòu)件，隨后點焊，最后加熱固化 [12]。具體過程為 [36]：(1)透膠膠焊(先涂膠后點焊)先對工件點焊部位進(jìn)行表面清洗處理，然后涂膠搭接，將被連接件膠接在一起，隨后在點焊機上對其進(jìn)行點焊，點焊工藝參數(shù)根據(jù)所用膠粘劑不同而有所不同，最后對接頭進(jìn)行固化處理。缺點在于膠粘劑層的電絕緣性對點焊工藝有不利影響，焊點附近的膠粘劑被焊接熱破壞，故應(yīng)采用導(dǎo)電膠粘劑。(2)毛細(xì)作用膠焊(先點焊后注膠)被連接板件經(jīng)表面處理后，先按通常的點焊工藝進(jìn)行點焊，然后用注膠器將低粘度膠粘劑注入搭接區(qū)的邊緣，使膠粘劑通過毛細(xì)作用進(jìn)入搭接縫中。膠粘劑填滿搭接縫隙后再對接頭進(jìn)行固化處理。該工藝要求膠粘劑粘度低，以保證充分填滿搭接間隙。此工藝能保證快速而可靠的點焊，但注入膠粘劑價格相對昂貴,而且由于注膠不完全，最后的接頭中可能存在氣孔。受注膠量和毛細(xì)作用的限制，毛細(xì)作用膠焊不適用于大曲面的搭接件，也不適用于搭接長度過大的部件。毛細(xì)作用膠焊中焊點附近膠不會被焊接熱所破壞，這是其一大優(yōu)點，但由于其制造困難，僅限于某些特殊場合使用。透膠膠焊由于其工藝簡單，可望得到廣泛的應(yīng)用。由于膠焊兼有膠接和點焊的結(jié)構(gòu)特征，機理非常復(fù)雜。膠焊技術(shù)的理論研究涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域, 如不同介質(zhì)的界面力學(xué)、薄膜力學(xué)及高分子合成物的破壞機理, 有著相當(dāng)?shù)碾y度,目前對膠焊力學(xué)性能的研究，主要采用試驗和數(shù)值模擬的方法。表 1 組織成分點焊、膠接和膠焊的特點比較 [16]點焊 膠接 膠焊優(yōu) 點采用內(nèi)部熱源，熱量集中易于實現(xiàn)機械化、自動化接頭強度高、性能穩(wěn)定成本低，經(jīng)濟(jì)性好接頭有良好的導(dǎo)電性接頭持久性優(yōu)良應(yīng)力均勻分布，無變形適于薄板連接水密性、氣密性好，防震性能好可實現(xiàn)異種材料的連接疲勞性能好，被粘物性能不變電、熱絕緣性好，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕應(yīng)力分布均勻(點焊接頭有應(yīng)力集中)疲勞強度增大(較點焊)靜載強度、抗剝離能力高，抗老化，持久性能較好(較膠接 )可實現(xiàn)異種材料的連接工具簡單，不需夾持具(克服了膠接缺點)具有密封性，可取消密封工序(彌補了點焊的不足)缺 點存在應(yīng)力集中，疲勞強度差搭接區(qū)內(nèi)表面存在腐蝕現(xiàn)象焊接熱使被焊件性能改變需進(jìn)行變形校正被焊件厚度大時焊點強度低抗震動性差無密封性不適于異種材料的連接耐熱性能差（250300）膠層老化，持久性能差抗沖擊、抗剝離強度低性能不穩(wěn)定，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差工序復(fù)雜（表面處理、備膠、涂膠、固化等）需夾具、支撐和昂貴設(shè)備（熱壓室，平板壓力機）受設(shè)備尺寸限制，不用于大型構(gòu)件的連接成本高，膠粘劑需具有導(dǎo)電性(點焊不需要)需對金屬表面進(jìn)行處理(膠接需要而點焊時不需要)粘接劑會污染電極，揮發(fā)物污染工作環(huán)境粘接劑硬化需隨焊接電流的變化而變化(液態(tài)反應(yīng)型膠粘劑 ) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 膠焊接頭應(yīng)力分布影響的研究現(xiàn)狀在膠焊接頭的研究方面，Darwish等 [7,8]利用有限元法研究了膠粘劑的彈性模量對膠焊接頭應(yīng)力分布和強度的影響，結(jié)果表明，膠焊接頭的強度隨著被粘物彈性模量的增加而增加，接頭端部的主應(yīng)力隨著膠粘劑彈性模量的增加而增加，接頭端部的最大應(yīng)力隨著被粘物厚度差的增加而增加，在膠焊接頭中，楊氏模量低的膠粘劑與厚度差盡可能大的被粘物搭配較好，采用楊氏模量低的膠粘劑，可以提高膠焊接頭的強度。Samhan等建立二維膠焊有限元模型，比較點焊、膠接、膠焊三種接頭之間的應(yīng)力分布情況，并討論膠瘤對膠焊接頭的影響：膠瘤能很好的提高膠焊接頭的強度 [9,10]。Darwish等還討論了不等厚被粘物對接頭剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力的影響：發(fā)現(xiàn)不等厚板能顯著降低焊點處應(yīng)力峰值 [11]。Santos等研究表明，環(huán)氧樹脂膠粘劑能夠提高點焊接頭的拉剪強度，而甲基丙烯酸酯膠粘劑不能；膠粘劑類型對接頭的剝離強度沒有很大影響 [12]。 國內(nèi)學(xué)者常保華等 [1319]采用三維彈塑性有限元法和試驗，研究了膠粘劑彈性模量對膠焊單搭接接頭應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明，酚醛樹脂膠制備的接頭，隨著板寬和板厚增大，對提高接頭強度有利，而且板寬增大不會改變接頭的斷裂形式；而丙烯酸酯膠制備的接頭，隨著板寬增大，對提高接頭強度無明顯作用，接頭斷裂形式也不發(fā)生改變，隨著板厚增大，反而對接頭強度有負(fù)面影響 [13,14]；酚醛樹脂膠粘劑膠焊接頭中，搭接區(qū)邊緣應(yīng)力值高于焊點邊緣應(yīng)力值，丙烯酸酯膠粘劑的膠焊接頭中，焊點邊緣應(yīng)力遠(yuǎn)高于搭接區(qū)邊緣應(yīng)力 [15,16]；膠粘劑的彈性模量低和厚度大時，膠層中的剪應(yīng)力小而焊點邊緣處存在明顯的應(yīng)力集中，膠粘劑彈性模量增大和膠層厚度減小時，接頭中焊點邊緣處應(yīng)力減小而膠層中剪應(yīng)力增大，在一定條件下，膠焊接頭中采用易變形的膠粘劑對提高膠焊接頭的承載能力有利，可選擇低彈性模量的膠粘劑和較厚的膠層厚度 [17]；膠粘劑彈性模量對膠焊接頭的應(yīng)力分布有很大影響，膠粘劑彈性模量高時，應(yīng)力主要在膠層中分布，焊點內(nèi)應(yīng)力值不大，膠粘劑彈性模量低時，焊點承擔(dān)了搭接區(qū)中最高的應(yīng)力，但遠(yuǎn)低于單純電阻點焊接頭 [18,19]。 接頭應(yīng)力優(yōu)化的研究現(xiàn)狀膠接技術(shù)由于具有高的比強度等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。而單搭接接頭作為最常用的膠接接頭，由于載荷作用線不同軸，使得接頭呈現(xiàn)幾何非線性，存在較大的偏心矩，搭接區(qū)端部產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，裂紋初始化一般在此處發(fā)生，這對接頭的強度有很大的損害 [20]。降低應(yīng)力集中的方法通常有兩種：材料修正和幾何修正。材料修正指通過改變被粘物或膠粘劑（包括膠瘤部分）材料的性能來減低應(yīng)力集中。游敏等 [2123]運用彈塑性有限元法和試驗研究了膠粘劑的彈性模量對膠接不同類型接頭應(yīng)力應(yīng)變分布和強度的影響。研究表明, 膠粘劑的彈性模量對接頭應(yīng)力分布影響很大，選取合適的膠粘劑彈性模量具有重要意義。游敏 [23]和 Broughton 等 [24]發(fā)現(xiàn)采用柔性膠粘劑或剛性較大的被粘物使得單搭接接頭的應(yīng)力分布較均勻，搭接區(qū)端部的應(yīng)力集中較小。幾何修正通過改變被粘物或膠粘劑的成形形狀。包括是否存在膠瘤、膠瘤形狀、搭接區(qū)被粘物預(yù)彎曲、被粘物端部幾何形狀變化（開槽，斜切等）等。孫德新等 [25]運用有限元法比較同軸接頭和標(biāo)準(zhǔn)接頭應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明：同軸單搭接膠接接頭可以使接頭趾部的彎矩為零,進(jìn)而有效地降低剝離應(yīng)力的峰值和減輕剪切應(yīng)力的集中程度,是一種極為合理的膠接接頭形式。鄭小玲等 [26]的實驗結(jié)果表明，膠瘤或楔塊的存在使單搭接接頭的拉剪強度明顯提高，但過高或過低的楔塊對接頭不利。Lang 等 [27]研究了膠瘤的形狀和大小對單搭接接頭應(yīng)力峰值和應(yīng)力分布的影響，說明了膠瘤尺寸越大、角度越小，則應(yīng)力峰值越低。游敏等 [28]的試驗結(jié)果表明，膠瘤中加入圓形和三角形楔塊均能增加單搭接接頭的強度。Zeng [29]和 Antonio 等 [3031]通過試驗和數(shù)值模擬表明，將搭接處的被粘物進(jìn)行預(yù)變形（加工成波浪形狀、 “S”形等） ，可以使接頭受力更加均勻，從而降低膠層的應(yīng)力峰值、應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置向搭接區(qū)中心轉(zhuǎn)移以及提高接頭的強度。Sancaktare 等 [32]的試驗和有限元結(jié)果表明，搭接區(qū)端部的內(nèi)凹槽和外凹槽均使接頭的強度提高。Sancaktare 和 Oterkus[33,34]的有限元分析和試驗結(jié)果表明，被粘物自由端外斜切角度越小，接頭的強度越高。Belingardi 等[35]通過有限元法研究表明，被粘物自由端內(nèi)斜切角度越小，單搭接接頭的應(yīng)力峰值越低，對接頭越有利。Albat [36]等在雙蓋板搭接接頭中采用多層梯狀蓋板，使得蓋板兩端的剛度降低，從而降低接頭的剪切應(yīng)力峰值。對于被粘物中凹槽的影響，宋冬利等 [37]曾提及。嚴(yán)沾謀等 [38]通過限元法研究了被粘物開槽對單搭接接頭應(yīng)力分布的影響，得到如下結(jié)論：被粘物凹槽使得膠層中部的應(yīng)力峰值得到了顯著降低。隨著凹槽長度的增加，膠層中部的應(yīng)力峰值先減小后增大。隨著凹槽深度的增加，膠層中部的應(yīng)力在拐角處的值逐漸減小，中間的應(yīng)力值逐漸增加。在含凹槽的接頭中，隨著膠粘劑彈性模量的增加，膠層中部應(yīng)力的峰值隨之增大。對于低彈性模量的膠粘劑接頭，凹槽對膠層中部應(yīng)力的分布和峰值并無明顯影響；而對于高彈性模量的膠粘劑接頭，原來處于低應(yīng)力狀態(tài)的接頭中間的應(yīng)力明顯上升，承擔(dān)了更多的載荷，而拐角處的應(yīng)力集中得到了明顯的減緩，應(yīng)力峰值顯著降低。游敏等 [39]用彈塑性有限元法研究了被粘物自由端外側(cè)斜削角度以及不同彈性模量膠粘劑對鋁合金單搭接接頭應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明：對被粘物自由端外側(cè)進(jìn)行斜削,可以使膠層中部的應(yīng)力峰值降低，從而提高接頭的強度。隨著斜削角度的減小,膠層中部應(yīng)力峰值逐漸降低。隨著膠粘劑彈性模量的降低，斜削接頭膠層中部各應(yīng)力的峰值隨之降低。對于膠粘劑彈性模量高的接頭，斜削使得膠層中部的應(yīng)力峰值得到了極大的降低；而對于膠粘劑彈性模量低的接頭，斜削對膠層中部的應(yīng)力峰值影響較小。相關(guān)學(xué)者對單一被粘物和膠粘劑彈性模量影響進(jìn)行了研究。Gordon 等 [40]指出，對于彈性模量和表面能低的被粘物，采用彈性模量和表面能低的膠粘劑使單搭接接頭的性能更好；而對于彈性模量和表面能高的被粘物，采用彈性模量和表面能高的膠粘劑使單搭接接頭的性能更好?？追矘s等 [41]運用彈塑性有限元法研究表明，酚醛樹脂膠粘劑（高彈性模量）制備的單搭接接頭中，膠瘤承擔(dān)了相當(dāng)多的載荷，而丙烯酸酯膠粘劑（低彈性模量）制備的接頭膠瘤承載作用并不明顯。此外，晏石林等[42]的研究表明，隨著被粘物模量比的增大，膠層應(yīng)力分布不均勻程度也隨之增大。郭亞軍等 [43]的研究表明，膠粘劑的剪切模量對層板的分層擴展速率的影響不大，可不予考慮。另外，本課題組以及國外相關(guān)學(xué)者對混合膠粘劑接頭進(jìn)行相關(guān)研究（國外只是針對單搭接接頭） 。Pires 等 [44]通過有限元法和試驗研究了混合膠粘劑連接對單搭接接頭應(yīng)力分布和強度的影響，發(fā)現(xiàn)混合膠粘劑連接接頭的平均強度比單種膠高。低彈模膠粘劑比高彈模膠粘劑的剪切應(yīng)力更均勻；隨著 L1/L2（低彈模膠與高彈模膠的長度比）的增加，剪切應(yīng)力峰值先減小后增大；適當(dāng)?shù)?E1/E2 和 L1/L2 能夠提高接頭的強度。Fitton 等 [45]的有限元分析和試驗結(jié)果研究表明，混合膠長度比的變化對剝離應(yīng)力峰值影響很小，剝離應(yīng)力峰值依賴于接頭端部膠的彈性模量。間隙連接技術(shù), 即去除膠接接頭搭接區(qū)域的部分膠粘劑，在膠層中形成一段或數(shù)段間隙，也稱為斷續(xù)膠層連接。本課題組將間隙連接作為一種先進(jìn)的連接方式，認(rèn)為間隙連接有利于接頭承載。通過有限元法和試驗研究表明，設(shè)計合理的間隙連接在不影響單搭接接頭名義強度的同時，提高了接頭的實際強度，隨著間隙長度的增加，膠層的應(yīng)力峰值逐漸由被粘物拐角處向膠瘤外側(cè)轉(zhuǎn)移 [4650]。余海洲等 [51]利用試驗方法和有限元塑性分析相結(jié)合，分析了單搭接膠接接頭中間隙偏置情況下膠層中應(yīng)力分布的情況，結(jié)果表明，間隙位置對強度有較大影響。隨間隙長度的增加，應(yīng)力峰值由被粘物拐角處逐漸向膠瘤處轉(zhuǎn)移，膠瘤對強度的貢獻(xiàn)變大。嚴(yán)沾謀等 [38]通過有限元法研究了膠粘劑彈性模量對含間隙的鋁合金單搭接接頭的影響，結(jié)果表明，間隙連接對接頭端部的應(yīng)力分布無明顯影響，但對間隙附近的應(yīng)力峰值影響較大，尤其是剝離應(yīng)力；隨著膠粘劑彈性模量的增大，間隙附近的應(yīng)力峰值反而減??；對于高彈性模量膠粘劑接頭，間隙對接頭的應(yīng)力峰值無明顯影響，在不降低接頭名義強度的基礎(chǔ)上極大地提高了接頭的實際強度；而對于低彈性模量膠粘劑接頭，間隙使得接頭的應(yīng)力峰值明顯上升，顯著地降低了接頭的名義強度和實際強度。游敏等 [52]用彈塑性有限元法研究了混合膠粘劑劈裂接頭中間隙位置和長度對劈裂接頭膠層中部應(yīng)力分布的影響。研究結(jié)果表明：合理的間隙不僅對劈裂接頭的應(yīng)力峰值和接頭的承載能力無明顯影響,而且有利于提高接頭的膠接質(zhì)量；間隙的中心位置對接頭的應(yīng)力峰值影響顯著,而間隙長度對接頭的應(yīng)力峰值無明顯影響；當(dāng)接頭末端無膠層時，因應(yīng)力峰值顯著增大,可能導(dǎo)致接頭的名義強度降低。此外，關(guān)志東等的研究也表明，缺陷的位置對接頭的強度有較大的影響 [53]。而其他學(xué)者研究均將間隙作為一種缺陷進(jìn)行研究，并且主要集中于單搭接接