金属胶接接头冲击性能测定方法的分析

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本文以金属胶接接头为研究对象,通过摆锤冲击实验研究了固化工艺参数(固化温度、固化时间、晾置时间)、暴热温度和暴热时间对分别采用夏比和埃佐两种试验方法时金属胶接对接接头冲击性能的影响。并采用ABAQUS有限元分析软件研究了接头受两种冲击载荷作用下应力的变化,主要工作和结论如下:  1)通过对简支梁(夏比试验)和悬臂梁(埃佐试验)两种情况进行受力分析,得出材料失效总是从截面边缘处开始,逐步向中心区域延伸。对比简支梁模型和悬臂梁模型的弯矩图知,简支梁模型的最大弯矩发生在梁的对称面上,悬臂梁模型的最大弯矩产生在固定端,而且相同的载荷下,悬臂梁的最大弯矩比简支梁的值要大几倍,这说明悬臂梁模型中材料破坏要比简支梁模型易发生,且破坏所需能量也要小一些。  2)利用正交试验方法研究固化温度、固化时间、胶层厚度和晾置时间对埃佐试样冲击韧度的影响,得出较优实验方案为实验5,即固化温度为80℃、固化时间为2h、晾置时间为30min以及胶层厚度为0.2mm,为研究暴热温度以及暴热时间对胶接接头的冲击韧度的影响做准备。  3)研究暴热温度对夏比冲击试样性能的影响,在经历高温后,冲击韧度明显下降;胶粘剂变色、产生气泡、胶层缺胶等现象说明胶层发生了物理变化和化学变化。胶接接头在高温环境中暴热较长时间,还会产生较大残余热应力,使对接试样变形,降低冲击韧度。说明在高温环境下使用的胶粘剂必须具有较高的熔点和软化点,具有较高的热稳定性。环氧树脂胶粘剂(XH-11胶)不适合在高温环境下使用,使用环境温度不应超过120℃。  4)研究暴热温度和暴热时间对埃佐冲击试样性能的影响,在经历暴热之后,试样的冲击韧度明显下降;在同一暴热温度时,随着暴热时间的增加,冲击韧度也明显下降。并且随着暴热时间的增加,胶层从脱湿或低分子物挥发的热失重到分解和部分碳化,直到最后完全分解,发生碳化裂解至所有有机裂解产物完全挥发。  5)研究夏比试验和埃佐试验条件下,对接接头经历冲击后的应力分布。使用ABAQUS有限元分析软件,得出试样在冲击载荷作用下的变形状况。在简支梁情况下,试样中间部分产生的弯矩最大,发生的变形最大;胶层部位下端受拉应力,上端受压力,所以下端先裂开;在悬臂梁情况下,固定端受到的弯矩最大,胶层部位上端受到拉应力,下端受到压应力,所以上端先裂开。  6)使用ABAQUS有限元分析软件研究胶层厚度对两种加载情况下应力分布的影响,得出随着胶层厚度的增加,胶层失效单元数越来越少;对比三种胶层厚度的结果可知,在冲击载荷作用下,不同胶层厚度中截面应力分布状况差别很大,随着胶层厚度的增加,单元破坏最严重的地方逐步向胶层与钢块的交界面处转移,这可能是由于胶层厚度增加使得胶层中部应力分布受交界面的影响减小;而且随着厚度增加,胶层的弯曲变形增大,因而在交界面处,截面上的应力分布逐步趋于平均化,致使0.4mm厚度的胶层大部分单元都失效了。  7)通过分析胶层厚度为0.1mm时两种模型下单元破坏所需能量的分布图。可以看出简支梁模型所消耗的能量要比悬臂梁模型大,这主要是因为相同载荷条件下悬臂梁中产生的弯矩的峰值比简支梁中弯矩的峰值大很多,所以单元破坏消耗的能量要小一些,该结果与理论分析结论一致。  8)通过分析折曲双搭接胶接接头应力分布,得出胶层选取路径上轴向应力峰值和剥离应力峰值在两端部下降幅度较大,且由拉应力转变为压应力,这对提高接头的承载能力有利;剪切应力峰值也得到了大幅下降,胶层中部应力较大,两端较低,改变了传统双搭接接头的受力方式(左低右高);第一主应力和等效应力在端部的应力峰值亦均得到大幅下降。搭接区被粘物在两端的应力峰值下降,轴向应力、第一主应力、等效应力等应力分量分布规律相似;剪切应力幅值相差不大,分布较均匀。
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