【正文】 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。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。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。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]。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。Olia 等利用二維平面應(yīng)變模型，通過解微分方程研究了膠層中心應(yīng)力分布情況，結(jié)果表明，在彎矩載荷作用下，間隙的存在對應(yīng)力峰值的影響不大，但是當(dāng)間隙的位置偏向搭接區(qū)域的一側(cè)時，應(yīng)力的峰值比連續(xù)膠層接頭情況時高 25％ [54]。實際結(jié)構(gòu)的膠粘劑層端頭并不存在矩形棱邊,而是由于在接頭膠接過程中,疊合時膠粘劑受到擠壓溢出，在被粘物的端部形成膠瘤(亦稱“毛邊”)。Adams 和 Peppiatt[58]采用有限元法對膠瘤的影響進(jìn)行了分析。Dorn 等 [61]研究了膠瘤對鋁合金/ABS 工程塑料單搭接接頭的拉剪力學(xué)性能的影響。游敏等 [64]利用三角形楔塊來模擬膠瘤的形狀以及在膠瘤中預(yù)埋金屬絲的方法研究了膠瘤對膠接接頭力學(xué)性能的影響，得到了膠瘤中預(yù)埋金屬絲的單搭接接頭的剪切強度提高了 45%的試驗結(jié)果。Dorn 等 [65]利用非線性有限元方法研究了金屬塑料剛度不對稱單搭接接頭膠層中的應(yīng)力分布，結(jié)果表明，鋁合金 塑料單搭接接頭和鋼塑料單搭接接頭相比，前者可以有效地減輕應(yīng)力不對稱情況。結(jié)果表明，所作的假設(shè)和改進(jìn)的解析結(jié)果對比試驗、數(shù)值分析是有效的。（如膠瘤角度、形狀、彈性模量、是否置入金屬楔塊等）對鋁合金單搭接接頭應(yīng)力分布的影響以及膠瘤對不同彈性模量膠粘劑接頭的影響。1974 年 Zieikiewicz[58]提出用粘塑性理論對塑性和蠕變行為進(jìn)行統(tǒng)一解釋，將粘塑性的研究極大地推進(jìn)了一步。由于膠粘劑大多數(shù)屬于高分子聚合物范疇，在失效之前均有大的塑性變形，因此對膠接接頭進(jìn)行彈塑性分析比較切合實際。eG?????e????max宏觀力學(xué)方法相對有限元法的優(yōu)點是可以明確地知道膠接厚度、接頭長度等參數(shù)與接頭性能的關(guān)系。對脆性膠粘劑材料，失效準(zhǔn)則采用最大主應(yīng)力，對韌性膠粘劑材料則應(yīng)該采用最大主應(yīng)變。固體只產(chǎn)生彈性變形的階段稱為彈性階段。聚合物材料的力學(xué)行為強烈地依賴于溫度和外力作用的時間。粘塑性模型是 Zienkiewicz[73]在 Bingham 材料模型的基礎(chǔ)上作一定的修正后提出來的。因此在 F＜ 0 時為純彈性區(qū)，而 F＞0 時應(yīng)變?速率是 F 的函數(shù)。由于偏心載荷的作用，單搭接接頭會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致被粘物上的載荷（軸向力、剪切力和力矩）發(fā)生非線性變化。李春植 [75]假設(shè)焊點連接區(qū)為剛體，建立了膠焊單搭接頭應(yīng)力的梁模型。膠焊的有限元數(shù)值研究以Darwish [9]和常保華 [19]為代表，他們分別建立了膠焊單搭接頭的二維和三維有限元模型。Xiao [8081 ]以雙搭膠接接頭為研究對象，提出一種簡單的剛度模型。其中有限單元法是最具實用性和應(yīng)用最廣泛的。單元內(nèi)的近似函數(shù)由未知場函數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達(dá)。 有限元解題步驟有限元法以彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要研究彈性體在外力作用下產(chǎn)生的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等問題。位移法是取節(jié)點位移作為基本未知量；力法則取節(jié)點力作為基本未知量；混合法取一部分節(jié)點位移、一部分節(jié)點力作為基本未知量。近幾年來，在計算機程序的編制方面，也有了較大的發(fā)展。本研究將主要使用 ANSYS 軟件。它有很多優(yōu)越性：與 CAD 軟件軟件的無縫集成；強大的網(wǎng)站處理能力；高精度非線性問題求解；強大的耦合場求解能力；程序面向用戶的開放性。 彈塑性有限單元法大部分工程問題中都存在非線性問題，一般包括材料非線性、幾何非線性和邊界非線性幾個方面， 。按照幾何、材料、邊界非線性理論建立的最后有限元方程為非線性，求解這些非線性方程是有限元分析的重要部分。 彈塑性有限元法彈塑性有限元法是在結(jié)構(gòu)分析中的彈性有限元法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。非線性彈性材料將沿原路返回，而彈塑性材料將依據(jù)不同的加載歷史卸載后產(chǎn)生不同的永久變形。(除了全量加載以外) 在求解與加—卸路徑相關(guān)的彈塑性問題時，為了跟蹤加載歷史求出位移、應(yīng)變和應(yīng)力的全量，基于流動理論的彈塑性有限元方程只能使用增量形式求解。ys?? 加載再加載卸載強化過程彈性極限斷裂塑性應(yīng)變 彈性應(yīng)變 ??tgE??0 . 0 0 20?彈性模量硬化模量 ?圖 材料的彈塑性行為 [86] 圖 彈性模量及硬化模量的定義 [85] 屈服準(zhǔn)則及強化準(zhǔn)則的選取塑性是在某種給定載荷下，材料永久變形的特性。在應(yīng)力應(yīng)變曲線中低于屈服點的為彈性部分，高于屈服點的是塑性部分。屈服準(zhǔn)則是一個可以用來與單軸測試的屈服應(yīng)力相比較的應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)量表示。主應(yīng)力空間中 Mises 屈服準(zhǔn)則如圖所示：x?y?zzx?3 D2 Dx?y圖 主應(yīng)力空間中的 Mises 屈服面在 3D 主應(yīng)力空間中，Mises 屈服面是一個以 為軸的圓柱面，在zyx?2D 中，屈服面是一個橢圓，在屈服面內(nèi)部的任何應(yīng)力狀態(tài)，都是彈性的，屈服面外部的任何應(yīng)力狀態(tài)都會引起屈服。對 von Mises 屈服準(zhǔn)則來說，等向強化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小為基礎(chǔ)，向所有方向均勻擴張，如圖 （a）所示，其受壓的屈服應(yīng)力等于拉伸過程中所達(dá)到的最高應(yīng)力?；旌蠌娀堑认驈娀碗S動強化的結(jié)合，屈服面不僅在大小上擴張，而且還在屈服的方向上移動。具有二次位移，適用于模擬不規(guī)則網(wǎng)格。并具有力位移混合公式的能力，可以模擬接近不可壓縮的彈塑性材料的變形。圖 PLANE183 單元的幾何形狀（上）和 PLANE183 單元應(yīng)力輸出（下）在本文的研究中主要采用二維廣義平面應(yīng)變單元 PLANE183，通過設(shè)置實常數(shù)來定義板寬，從而利用二維單元選項模擬三維變形。3 膠粘劑及被粘物性質(zhì)對膠焊接頭應(yīng)力分布的影響 有限元模型 模型假定被連接試樣參照采用國家標(biāo)準(zhǔn) GB7124“膠粘劑拉伸剪切強度測定方法（金屬對金屬） ”確定尺寸，單片被粘物試樣長 100mm，寬 25mm，厚 2mm,膠層厚度為 mm。分析中假定為小變形狀態(tài)，已經(jīng)進(jìn)行的數(shù)值計算表明，大變形與小變形情形下的結(jié)果基本相同，差別可忽略不計，故只考慮了材料非線性，不考慮幾何非線性 [92]。為了考察膠層以及被粘物膠層界面的應(yīng)力分布情況，特選取 path1 為搭接區(qū)中心線處(y=0mm)和 path2 為界面附近下被粘物處(y=) 應(yīng)力分布部分?jǐn)?shù)值進(jìn)行分析。如圖 所示。利用 ANSYS 有限元軟件進(jìn)行彈塑性有限元分析。(c) 剪切應(yīng)力 Sxy。由圖可知，在外載作用下，膠焊接頭的膠層中心線上，與搭接區(qū)端部相鄰的各應(yīng)力分量峰值隨彈性模量增加而顯著上升，特別是剝離應(yīng)力Sy((b)) ，從膠粘劑彈性模，增加了約%；在膠層和焊點相鄰處，剝離應(yīng)力峰值由正值(拉應(yīng)力)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值(壓應(yīng)力)，對于提高接頭的承載能力有利 [22]。由圖 的分析可知，當(dāng)膠粘劑彈性模量提高時，接頭中位于膠層焊點邊緣處應(yīng)力減小而搭接區(qū)端部附近膠層中的應(yīng)力峰值增大，并且搭接端部處應(yīng)力也增大，而搭接區(qū)端部一般說來是膠層破壞的發(fā)源地，故對于膠層來說不太有利。(c)剪切應(yīng)力 Sxy。焊核內(nèi)的剪切應(yīng)力 Sxy 的絕對值隨膠粘劑彈性模量的增加而持續(xù)下降( 圖 (c))，而其他應(yīng)力分量(Sx，Sy，S1)和等效應(yīng)力(Seqv)的峰值在彈性模量大于 時，下降幅度趨緩。搭接區(qū)模型及路徑定義如圖 所示。036912022243648(a) E502875 1E2875Normal stre Sx (MPa) Distance from the dg (m)036912100102030(b) E502875 1E2875Pel str Sy(MPa) Distance from the dg (m)03691216324864(c) E502875 1E2875Shear st Sxy (MPa)Distance from the dg (m) 03691224487296(d) E502875 1E28751st princial stre S1 (MPa)Distance from the dg (m)036912306090120(e) E502875 1E2875von Mise quivalent sr Seqv (MPa)Distance from the dg (m)圖 混合膠粘劑（左低右高）對搭接區(qū)中心應(yīng)力分布的影響(a) 正應(yīng)力 Sx。 (e) 等效應(yīng)力 Seqv0369120223045(a) E287502 18E2875Normal stre Sx (MPa)Distance from the dg (m) 03691210123(b) E287502 18E2875Pel str Sy (MPa)Distance from the dg (m)036912016324864(c) E287502 18E2875Shear st Sxy (MPa)Distance from the dg (m) 03691224487296(d) E287502 18E28751st princial stre S1 (MPa)Distance from the dg (m)036912306090120(e) E287502 18E2875von Mise quivalent sr Seqv (MPa)Distance from the dg (m)圖 混合膠粘劑（左高右低）對搭接區(qū)中心應(yīng)力分布的影響(a) 正應(yīng)力 Sx。 (e) 等效應(yīng)力 Seqv分析了兩個情況下混合膠粘劑對膠焊單搭接接頭膠層中心應(yīng)力分布影響，由圖 可以看出， “左低又高”與“左高右低”兩種情形膠層中心線處應(yīng)力分布呈對稱形式，即采用膠粘劑不同的一邊應(yīng)力分布變化明顯，而另一邊則幾乎沒有什么改變。剝離應(yīng)力峰值由低彈性模量時的拉應(yīng)力（正值）轉(zhuǎn)化為高彈性模量時的壓應(yīng)力（負(fù)值） ，有利于接頭承載。因此，采用混合膠粘劑有利于提高焊核承載載荷，降低膠層端部應(yīng)力集中，從而提高整個接頭的承載能力。 (c) 剪切應(yīng)力 Sxy。 (c) 剪切應(yīng)力 Sxy。在另一端則變化不大。但是在混合膠粘劑情況下，焊核右側(cè)膠粘劑被粘物界面附近被粘物中應(yīng)力和焊核被粘物界面處各應(yīng)力分量峰值下降。搭接區(qū)模型及路徑定義如圖 所示。 (b) 剝離應(yīng)力 Sy。 (b) 剝離應(yīng)力 Sy。隨著上被粘物厚度增加，膠層中心應(yīng)力分布先減小后增大（在端部處是逐漸減小，在靠近焊核附近是逐漸增大） ，在焊核內(nèi)部中心的應(yīng)力大?。ǔ魬?yīng)力外）是逐漸減小的，但是變化幅度不大。隨著下被粘物厚度增加，膠層中心應(yīng)力分量是逐漸增大，在焊核內(nèi)部中心的應(yīng)力大小（除剝離應(yīng)力外）是也逐漸增大的。由以上分析可知，被粘物板厚變化對接頭膠層中心部位應(yīng)力分布影響顯著，隨著上下被粘物中心線距離的減少，應(yīng)力分布越均勻，應(yīng)力峰值越小，更有利于提高接頭整體承載能力。 (d) 第一主應(yīng)力 S1。 (d) 第一主應(yīng)力 S1。 ） ，應(yīng)力分布均勻。因此被粘物厚度向有利于減小偏心距離方向變化，就有利于應(yīng)力峰值的減小，應(yīng)力分布均勻。 有限元模型在 節(jié)圖 基礎(chǔ)上，對搭接區(qū)進(jìn)行預(yù)偏轉(zhuǎn)不同角度，研究不同角度（考慮0176。、12176。搭接區(qū)模型及路徑定義如圖 ，圖 所示。 (d) 第一主應(yīng)力 S1。接頭搭接區(qū)應(yīng)力分布區(qū)域均勻，整體承載能力提高。03691204080120220(a) 03 609 120Normal stre Sx(MPa)Distance from the dg (m) 036912202204060(b) 03 609 120Pel str Sy(MPa)Distance from the dg (m)036912606121824(c) 03 609 120Shear st Sxy (MPa)Distance from the dg (m) 0369120510165(d) 03 609 1201st princal stre S(MPa)Distance from the dg (m)03691204590135180(e) 03 609 120von Mise quivalent sr Seqv (MPa)Distance from the dg (m)圖 預(yù)偏角對被粘物應(yīng)力分布的影響(a) 正應(yīng)力 Sx。 (e) 等效應(yīng)力 Seqv圖 為預(yù)偏角對膠焊接頭界面附近下被粘物處（界面下方 ）應(yīng)力分布的影響?？傮w趨勢逐漸趨于均勻。綜合考慮到彈性模量增加時所引起的應(yīng)力峰值在搭接區(qū)端部附近的上升和在膠層焊點邊緣及對應(yīng)于焊點中心點除的下降幅度，建議選用彈性模量適中的膠粘劑以提高其承載能力。而在高彈性模量處幾乎沒有影響。3）上下被粘物厚度不一致，使得搭接區(qū)中心以及被粘物界面處應(yīng)力分布不對稱，其中搭接區(qū)中心出現(xiàn)了應(yīng)力峰值左高右低的