【正文】 nce from the dg (m) 036912501015020(d) Hup=12 =31st princal stre S(MPa)Distance from the dg (m)0369123570105140175(e) Hup=12 =3von Mise quivalent sr Seqv (MPa) Distance from the dg (m)圖 上被粘物厚度變化對(duì)被粘物應(yīng)力分布的影響(a) 正應(yīng)力 Sx。焊核承載增加，提高接頭整體承載能力。特別地，對(duì)于 H=1mm 時(shí)，各應(yīng)力分量峰值明顯高于其他情況。 (c) 剪切應(yīng)力 Sxy。 (c)剪切應(yīng)力 Sxy。搭接區(qū)有限元網(wǎng)格如圖 所示。 被粘物厚度對(duì)膠焊接頭應(yīng)力分布影響 有限元計(jì)算模型由于單搭接接頭在拉伸載荷作用下，載荷作用不共線引起搭接區(qū)彎曲并產(chǎn)生較大彎矩 [25,93]。對(duì)于“左高又低”情況下，應(yīng)力分布則與“左低又高”情況剛好相反。 (d) 第一主應(yīng)力 S1。 (d) 第一主應(yīng)力 S1。但從改善接頭應(yīng)力分布目的出發(fā)，混合膠粘劑的彈性模量相差應(yīng)盡量小。并且隨著彈性模量的差值減小，焊核中心應(yīng)力升高且改變不大。膠層彈性模量越低，所在邊焊核端部應(yīng)力集中越明顯，同時(shí)焊核承擔(dān)的載荷越大；所在邊膠層的應(yīng)力分布越均勻，端部應(yīng)力集中越小。 (b) 剝離應(yīng)力 Sy。 (b) 剝離應(yīng)力 Sy。p a t h 1p a t h 21 2 . 5A d h e r e n dy0N u g g e tA d h e s i v e N O . 2A d h e r e n dA d h e s i v e N O . 1圖 局部路徑定義圖 結(jié)果分析及討論圖中標(biāo)注解釋?zhuān)骸癊502875”表示焊核左邊膠層彈性模量為 50MPa，右邊膠層彈性模量為 2875MPa,“E2875”表示焊核兩邊膠層彈性模量均為 2875MPa。由以上分析可知，膠粘劑彈性模量對(duì)膠焊接頭上膠層中心、緊鄰膠接界面的被粘物側(cè)和焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力分布均有顯著影響，綜合考慮彈性模量增加時(shí)所引起的應(yīng)力峰值在搭接區(qū)端部附近的上升和膠層焊點(diǎn)邊緣及焊點(diǎn)中心的下降幅度，彈性模量在2GPa 左右時(shí)較為適宜。(d)第一主應(yīng)力 S1。但考慮到膠粘劑彈性模量提高時(shí)，焊點(diǎn)邊緣的應(yīng)力集中程度減輕，焊點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定，有利于改善接頭的應(yīng)力分布，提高接頭承載能力。對(duì)于剪切應(yīng)力Sxy( (c)) 來(lái)說(shuō)，在膠層和焊點(diǎn)相鄰處，應(yīng)力峰值隨彈性模量升高迅速下降。(d) 第一主應(yīng)力 S1。表 2 材料的力學(xué)性能 [38]材料 彈性模量 GPaE/泊松比 ?屈服強(qiáng)度 MPay/?硬化模量 PaEr/LY12 71 400 24045鋼 209 325 2022丙烯酸酯膠 40 40聚氨基甲酸乙酯 30 19環(huán)氧樹(shù)脂膠 50 50酚醛樹(shù)脂膠 90 500 膠粘劑彈性模量對(duì)膠焊接頭應(yīng)力分布影響 有限元模型基于本課題組對(duì)膠粘劑彈性模量對(duì)膠接單搭接接頭應(yīng)力分布的研究 [22]，本節(jié)以LY12 鋁合金為被粘物，四種彈性模量相差較大的結(jié)構(gòu)膠粘劑（材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表 2）有限元模型、邊界條件和加載情況以及網(wǎng)格圖如圖 和圖 所示。圖 半搭接區(qū)及焊點(diǎn)局部網(wǎng)格圖 材料參數(shù)的選取采用 LY12 鋁合金或 45鋼制備試樣，膠粘劑為 4 種不同的結(jié)構(gòu)膠(見(jiàn)表 2)。應(yīng)力路徑如圖 2 所示。 模型約束條件和加載情況利用彈塑性有限元法對(duì)模型進(jìn)行分析，所有模型所加載荷均為均布載荷σ=60MPa（即 F=3KN） ，加載過(guò)程中，保持膠粘劑和被粘物材料的性能不變。假設(shè)膠焊工藝是先點(diǎn)焊再注膠，在有限元分析過(guò)程中，不考慮點(diǎn)焊過(guò)程中產(chǎn)生的熱影響和殘余應(yīng)力。 本章小結(jié)本章概述了數(shù)值模擬方法（主要是有限單元法）在膠焊接頭力學(xué)研究中的應(yīng)用，介紹了有限單元法的基礎(chǔ)知識(shí)和分析過(guò)程。支持初始應(yīng)力。該元素由 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn) 2 個(gè)自由度，x、y 方向。如圖 （c） 。 隨動(dòng)強(qiáng)化假定屈服面的大小保持不變而僅在屈服的方向上移動(dòng)，當(dāng)某個(gè)方向的屈服應(yīng)力升高時(shí)，其相反方向的屈服應(yīng)力應(yīng)該降低。當(dāng)材料進(jìn)入塑性階段，需引入強(qiáng)化準(zhǔn)則來(lái)描述了初始屈服準(zhǔn)則隨塑性應(yīng)變?cè)黾拥淖兓闆r。因此，知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則，程序就能確定是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。在材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力狀態(tài)用屈服準(zhǔn)則來(lái)規(guī)定。對(duì)大多數(shù)工程材料來(lái)說(shuō)，當(dāng)其應(yīng)力低于比例極限時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是線性的?；趶椝苄阅Ｐ偷膽?yīng)力分析要求輸入力學(xué)性能參數(shù)，主要包括：彈性模量、泊松比、硬化模量、屈服應(yīng)力等。如圖 所示。彈塑性材料進(jìn)入塑性的特征是，當(dāng)載荷卸去以后存在不可恢復(fù)的永久變形，因而在涉及卸載的情況下，應(yīng)力應(yīng)變之間不再在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是區(qū)別非線性彈性材料的基本屬性。高精度、高效率和高度數(shù)值穩(wěn)定性的非線性求解方法和快速的代數(shù)方程組求解技術(shù)對(duì)于獲得合理、準(zhǔn)確的分析結(jié)果至關(guān)重要。材料的非線性問(wèn)題分為兩類(lèi)：一類(lèi)是不依賴(lài)于時(shí)間的彈塑性問(wèn)題，其特點(diǎn)是當(dāng)載荷作用以后，材料變形立即發(fā)生，并且不再隨時(shí)間而變化。靜力學(xué)分析是用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。ANSYS 有限元分析是通過(guò)采用大量幾何形狀簡(jiǎn)單的單元組合來(lái)近似描述整體結(jié)構(gòu)，利用單元節(jié)點(diǎn)變量對(duì)單元內(nèi)部變量進(jìn)行插值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)總體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算。由于有限元法的通用性，它已成為解決各種問(wèn)題強(qiáng)有力和靈活通用的工具。位移法比較容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)?？梢栽O(shè)想把彈性體分成有限多個(gè)微元體（如四面體單元） ，盡管彈性體上各點(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變都不相同，但都是體上相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)函數(shù)。一個(gè)問(wèn)題的有限元分析中，未知場(chǎng)函數(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。 有限單元法的基本思想將一個(gè)連續(xù)域離散化為有限個(gè)單元并通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接的等效集合體。 有限單元法 有限單元法解題步驟工程技術(shù)領(lǐng)域中的許多力學(xué)問(wèn)題和場(chǎng)問(wèn)題，如固體力學(xué)中的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析、電磁學(xué)中的電磁分析、振動(dòng)特性分析、熱力學(xué)中的溫度場(chǎng)分析，流體力學(xué)中的流場(chǎng)分析等，都可以歸結(jié)為在給定邊界條件下求解其控制方程的問(wèn)題。Adams [77]提出了一維桿膠接模型,并首次考慮了被粘體剪切變形的影響。趙波[76]在考慮被粘體剪切應(yīng)變效應(yīng)基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地建立了膠焊單搭拉剪接頭的應(yīng)力和剛度一維桿模型。國(guó)內(nèi)外針對(duì)膠焊單搭接接頭相關(guān)模型進(jìn)行了研究。在粘塑性應(yīng)變的定義中，Zienkiewicz 借鑒了經(jīng)典塑性理論中的塑性潛能 Q(σ)概念： ?????????Qdtvp)(0其中 為流動(dòng)系數(shù)，與時(shí)間、應(yīng)變量等狀態(tài)變量有關(guān)。假設(shè)其達(dá)到與時(shí)間無(wú)關(guān)的最終穩(wěn)定狀態(tài)，模型便可演化成問(wèn)題的塑性解；而對(duì)另一極端情況，將粘塑變形的門(mén)檻應(yīng)力降到零，模型便可演化成蠕變解。在外力作用下，聚合物材料的形變性質(zhì)介于彈性材料和粘性材料之間，應(yīng)力同時(shí)依賴(lài)于應(yīng)變和應(yīng)變速率。當(dāng)外力增加到超過(guò)某一限度時(shí)，這時(shí)再卸除外載，則固體不能完全恢復(fù)其原有的形狀而產(chǎn)生一部分不能消失的永久變形，這一階段稱(chēng)為彈塑性階段 [70,71]。Tong [20]對(duì)復(fù)合材料雙搭接接頭的失效準(zhǔn)則進(jìn)行了研究。HartSmith 在分析中假定當(dāng)膠粘劑中剪切應(yīng)變達(dá)到設(shè)定的最大值時(shí)失效，由此 HartSmith 提出了設(shè)計(jì)理論：塑性區(qū)必須足夠長(zhǎng)以承受外載荷；中間的彈性區(qū)需要足夠大以防止蠕變。另外，被粘物也經(jīng)常有塑性屈服存在。結(jié)合材料的蠕變模型，利用有限元技術(shù)對(duì)膠接接頭長(zhǎng)時(shí)力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分析能更準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)行為，殷勇等 [67]對(duì)膠焊接頭的蠕變力學(xué)行為進(jìn)行了研究。 本文的主要研究工作本文采用 ANSYS 有限元軟件數(shù)值模擬的手段，對(duì)膠焊單搭接接頭的應(yīng)力分布及其相關(guān)影響因素進(jìn)行研究。晏石林等 [42]研究了由不同彈性模量、不同厚度的兩種材料膠接而成的接頭，推導(dǎo)了接頭膠層應(yīng)力的微分方程，通過(guò)實(shí)例計(jì)算并討論了被粘物剛度不平衡程度對(duì)膠層應(yīng)力分布的影響，隨著被粘物彈性模量比值的增大，膠層應(yīng)力分布不均勻程度也增大，因此，材料膠接時(shí)應(yīng)盡量避免或減小被粘物的剛度不對(duì)稱(chēng)性。單搭接膠接接頭的剛度不對(duì)稱(chēng)性主要有以下三種情況：材料相同，幾何參數(shù)不同，導(dǎo)致的不對(duì)稱(chēng)性；幾何參數(shù)相同，材料不同導(dǎo)致的不對(duì)稱(chēng)性；幾何參數(shù)、材料皆不同，導(dǎo)致的不對(duì)稱(chēng)性。結(jié)果表明，膠瘤降低了膠層中剪切應(yīng)力的峰值，且被粘物上屈服點(diǎn)的位置發(fā)生外移。Tsai [59]利用試驗(yàn)方法和有限元相結(jié)合分析了層壓板復(fù)合材料單搭接接頭在有膠瘤情況、無(wú)膠瘤情況下承受拉伸載荷時(shí)，粘附應(yīng)力的分布情況，結(jié)論是膠瘤承載了一部分載荷，從而使得被粘物趾部膠層中的剪切、剝離應(yīng)力的集中程度有一定的減輕。在早期研究中，一般采用解析方法對(duì)單搭接接頭的應(yīng)力進(jìn)行分析，膠瘤的存在不利于結(jié)果的獲取，因而未加以考慮 [20]。Liu 等在二維線彈性平面應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元法研究了間隙單搭接接頭受彎曲載荷的作用，表明間隙對(duì)接頭的正應(yīng)力、剝離應(yīng)力、剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力基本上無(wú)影響，但當(dāng)載荷作用點(diǎn)距離搭接區(qū)太近時(shí)對(duì)接頭不利 [55]。研究結(jié)果表明：合理的間隙不僅對(duì)劈裂接頭的應(yīng)力峰值和接頭的承載能力無(wú)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(duì)接頭的應(yīng)力峰值影響顯著,而間隙長(zhǎng)度對(duì)接頭的應(yīng)力峰值無(wú)明顯影響；當(dāng)接頭末端無(wú)膠層時(shí)，因應(yīng)力峰值顯著增大,可能導(dǎo)致接頭的名義強(qiáng)度降低。余海洲等 [51]利用試驗(yàn)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(duì)強(qiáng)度有較大影響。Fitton 等 [45]的有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果研究表明，混合膠長(zhǎng)度比的變化對(duì)剝離應(yīng)力峰值影響很小，剝離應(yīng)力峰值依賴(lài)于接頭端部膠的彈性模量。郭亞軍等 [43]的研究表明，膠粘劑的剪切模量對(duì)層板的分層擴(kuò)展速率的影響不大，可不予考慮。相關(guān)學(xué)者對(duì)單一被粘物和膠粘劑彈性模量影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：對(duì)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(qiáng)度。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。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。Zeng [29]和 Antonio 等 [3031]通過(guò)試驗(yàn)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(qiáng)度。孫德新等 [25]運(yùn)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。研究表明, 膠粘劑的彈性模量對(duì)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。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(duì)接頭的強(qiáng)度有很大的損害 [20]。Santos等研究表明，環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑能夠提高點(diǎn)焊接頭的拉剪強(qiáng)度，而甲基丙烯酸酯膠粘劑不能；膠粘劑類(lèi)型對(duì)接頭的剝離強(qiáng)度沒(méi)有很大影響 [12]。膠焊技術(shù)的理論研究涉及到多個(gè)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(jī)理, 有著相當(dāng)?shù)碾y度,目前對(duì)膠焊力學(xué)性能的研究，主要采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法。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(zhǎng)度過(guò)大的部件。(2)毛細(xì)作用膠焊(先點(diǎn)焊后注膠)被連接板件經(jīng)表面處理后，先按通常的點(diǎn)焊工藝進(jìn)行點(diǎn)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(guò)毛細(xì)作用進(jìn)入搭接縫中。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(shí)現(xiàn)用現(xiàn)有連接工藝無(wú)法完成的異種材料的連接。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(dòng)力學(xué)性能。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(diǎn)焊和搭接部位上的膠層所形成的連接接頭 [13]。這樣，膠焊接頭不僅具有點(diǎn)焊接頭重量輕、靜強(qiáng)度高(剪切強(qiáng)度為鉚接的 340%，點(diǎn)焊的 200%)、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，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(yáng)極氧化處理而不腐蝕焊點(diǎn))，力學(xué)性能十分優(yōu)良?，F(xiàn)已用于低碳鋼、不銹鋼、有機(jī)涂層或金屬涂層鋼板(如汽車(chē)用鍍鋅鋼板) 和控軋鋼板的連接。缺點(diǎn)在于膠粘劑層的電絕緣性對(duì)點(diǎn)焊工藝有不利影響，焊點(diǎn)附近的膠粘劑被焊接熱破壞，故應(yīng)采用導(dǎo)電膠粘劑。此工藝能保證快速而可靠的點(diǎn)焊，但注入膠粘劑價(jià)格相對(duì)昂貴,而且由于注膠不完全，最后的接頭中可能存在氣孔。由于膠焊兼有膠接和點(diǎn)焊的結(jié)構(gòu)特征，機(jī)理非常復(fù)雜。Darwish等還討論了不等厚被粘物對(duì)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(diǎn)處應(yīng)力峰值 [11]。 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(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。游敏等 [2123]運(yùn)用彈塑性有限元法和試驗(yàn)研究了膠粘劑的彈性模量對(duì)膠接不同類(lèi)型接頭應(yīng)力應(yīng)變分布和強(qiáng)度的影響。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(kāi)槽，斜切等）等。游敏等 [28]的試驗(yàn)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(qiáng)度。Belingardi 等[35]通過(guò)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(duì)接頭越有利。隨著凹槽長(zhǎng)度的增加，膠層中部的應(yīng)力峰值先減小后增大。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(duì)鋁合金單搭接接頭應(yīng)力分布的影響。對(duì)