【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，對于 H=1mm 時，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。 被粘物厚度對膠焊接頭應(yīng)力分布影響 有限元計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注解釋：“E502875”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，膠粘劑彈性模量對膠焊接頭上膠層中心、緊鄰膠接界面的被粘物側(cè)和焊點內(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邊緣及焊點中心的下降幅度，彈性模量在2GPa 左右時較為適宜。(d)第一主應(yīng)力 S1。但考慮到膠粘劑彈性模量提高時，焊點邊緣的應(yīng)力集中程度減輕，焊點內(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。對于剪切應(yīng)力Sxy( (c)) 來說，在膠層和焊點相鄰處，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)氧樹脂膠 50 50酚醛樹脂膠 90 500 膠粘劑彈性模量對膠焊接頭應(yīng)力分布影響 有限元模型基于本課題組對膠粘劑彈性模量對膠接單搭接接頭應(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模型進行分析，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)膠焊工藝是先點焊再注膠，在有限元分析過程中，不考慮點焊過程中產(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)知識和分析過程。支持初始應(yīng)力。該元素由 8 個節(jié)點定義，每個節(jié)點 2 個自由度，x、y 方向。如圖 （c） 。 隨動強化假定屈服面的大小保持不變而僅在屈服的方向上移動，當某個方向的屈服應(yīng)力升高時，其相反方向的屈服應(yīng)力應(yīng)該降低。當材料進入塑性階段，需引入強化準則來描述了初始屈服準則隨塑性應(yīng)變增加的變化情況。因此，知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準則，程序就能確定是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。在材料開始塑性變形的應(yīng)力狀態(tài)用屈服準則來規(guī)定。對大多數(shù)工程材料來說，當其應(yīng)力低于比例極限時，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。彈塑性材料進入塑性的特征是，當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)對于獲得合理、準確的分析結(jié)果至關(guān)重要。材料的非線性問題分為兩類：一類是不依賴于時間的彈塑性問題，其特點是當載荷作用以后，材料變形立即發(fā)生，并且不再隨時間而變化。靜力學(xué)分析是用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。ANSYS 有限元分析是通過采用大量幾何形狀簡單的單元組合來近似描述整體結(jié)構(gòu)，利用單元節(jié)點變量對單元內(nèi)部變量進行插值來實現(xiàn)對總體結(jié)構(gòu)的分析計算。由于有限元法的通用性，它已成為解決各種問題強有力和靈活通用的工具。位移法比較容易在計算機上實現(xiàn)?？梢栽O(shè)想把彈性體分成有限多個微元體（如四面體單元） ，盡管彈性體上各點的位移、應(yīng)力、應(yīng)變都不相同，但都是體上相應(yīng)點的坐標函數(shù)。一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。 有限單元法的基本思想將一個連續(xù)域離散化為有限個單元并通過有限個節(jié)點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)問題和場問題，如固體力學(xué)中的位移場、應(yīng)力場分析、電磁學(xué)中的電磁分析、振動特性分析、熱力學(xué)中的溫度場分析，流體力學(xué)中的流場分析等，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。國內(nèi)外針對膠焊單搭接接頭相關(guān)模型進行了研究。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 為流動系數(shù)，與時間、應(yīng)變量等狀態(tài)變量有關(guān)。假設(shè)其達到與時間無關(guān)的最終穩(wěn)定狀態(tài)，模型便可演化成問題的塑性解；而對另一極端情況，將粘塑變形的門檻應(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)力同時依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率。當外力增加到超過某一限度時，這時再卸除外載，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，這一階段稱為彈塑性階段 [70,71]。Tong [20]對復(fù)合材料雙搭接接頭的失效準則進行了研究。HartSmith 在分析中假定當膠粘劑中剪切應(yīng)變達到設(shè)定的最大值時失效，由此 HartSmith 提出了設(shè)計理論：塑性區(qū)必須足夠長以承受外載荷；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)對膠接接頭長時力學(xué)反應(yīng)進行分析能更準確地描述結(jié)構(gòu)行為，殷勇等 [67]對膠焊接頭的蠕變力學(xué)行為進行了研究。 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，對膠焊單搭接接頭的應(yīng)力分布及其相關(guān)影響因素進行研究。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，通過實例計算并討論了被粘物剛度不平衡程度對膠層應(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，材料膠接時應(yīng)盡量避免或減小被粘物的剛度不對稱性。單搭接膠接接頭的剛度不對稱性主要有以下三種情況：材料相同，幾何參數(shù)不同，導(dǎo)致的不對稱性；幾何參數(shù)相同，材料不同導(dǎo)致的不對稱性；幾何參數(shù)、材料皆不同，導(dǎo)致的不對稱性。結(jié)果表明，膠瘤降低了膠層中剪切應(yīng)力的峰值，且被粘物上屈服點的位置發(fā)生外移。Tsai [59]利用試驗方法和有限元相結(jié)合分析了層壓板復(fù)合材料單搭接接頭在有膠瘤情況、無膠瘤情況下承受拉伸載荷時，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單搭接接頭的應(yīng)力進行分析，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)力基本上無影響，但當載荷作用點距離搭接區(qū)太近時對接頭不利 [55]。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。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。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。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。相關(guān)學(xué)者對單一被粘物和膠粘劑彈性模量影響進行了研究。結(jié)果表明：對被粘物自由端外側(cè)進行斜削,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]通過試驗和數(shù)值模擬表明，將搭接處的被粘物進行預(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。孫德新等 [25]運用有限元法比較同軸接頭和標準接頭應(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，這對接頭的強度有很大的損害 [20]。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]。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?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。受注膠量和毛細作用的限制，毛細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。(2)毛細作用膠焊(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，使膠粘劑通過毛細作用進入搭接縫中。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。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。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]。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(可使鋁件進行陽極氧化處理而不腐蝕焊點)，力學(xué)性能十分優(yōu)良。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。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。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。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。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]。 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。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。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。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。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。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。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。對