含复合胶层接头上应力分布的数值分析

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本文采用有限元方法,以改善接头应力分布和提高接头承载能力为目的,以铝合金单搭接接头和金属对接胶接接头为研究对象,模拟分析了铝合金单搭接接头在受静载作用时,复合胶层的组合方式及其相关因素对接头应力分布的影响;同时还模拟了在受动态冲击载荷作用时,金属对接胶接接头在受中部和端部冲击载荷作用下,复合胶层及其厚度、主胶缺口等因素对接头应力和应变响应的影响,得出的主要结论如下:  (1)铝合金单搭接接头受静载作用下,含复合胶层接头上胶层端部的应力峰值下降明显,中间部位的应力呈上升的趋势且胶层端部的应力向中间区域移动。当复合胶层中主胶层胶粘剂的弹性模量高于底胶的弹性模量时,且相差越大,应力峰值越低,对接头的承载越有利。反之,接头的应力分布不仅没有得到改善,而且其应力峰值比低弹性模量的更高一点,对接头不利。  (2)胶层厚度对铝合金单搭接接头的应力影响程度不大。当主胶层和底胶层的厚度发生改变时,其主胶层中心的应力和界面间的应力并不随着发生大幅度改变,应力的分布趋势大致相同,差异微小。  (3)被粘物的厚度对接头应力分布的影响与被粘物的具体厚度有关,在一定厚度范围内,应力峰值的大小随着被粘物厚度的增加而减小。  (4)复合胶层的主胶胶瘤可以大幅度降低单搭接接头应力的峰值,应力向胶瘤移动,降低接头的应力集中,提高接头的承载能力。  (5)金属对接接头受中部冲击载荷作用时,靠近冲击载荷的上半部分胶层受压应力作用,远离载荷的另一部分受拉应力作用,且压应力与拉应力近似呈对称分布,胶层中心的应力最小。弹性模量较高的胶粘剂其弹性应变较大,塑性应变较小。离冲击载荷较近的节点所受应力易出现明显波动,并且应力值相对弹性模量较大的胶粘剂明显较小。  (6)金属对接接头中部受冲击载荷作用,当复合胶层中含有低弹性模量的胶粘剂时,其胶层发生弹性应变速率较大,塑性应变量较大;含有高弹性模量的胶粘剂时,胶层的弹性应变量较大。当复合胶层底胶的弹性模量较高时,胶层中心受到的正应力不会有波动;而当底胶的弹性模量较低时,不论主胶的弹性模量有多高,胶层中心受到的正应力不仅有波动,而且波动程度较大或者出现波动的次数较多。正应力 Sx的大小与复合胶层中任一较高弹性模量的胶粘剂有关,正应力 Sy与底胶的弹性模量有关,正应力 Sz与节点位置有关。等效应力的大小与复合胶层的主胶密切相关,当主胶的弹性模量较高时,胶层中心等效应力较大;当主胶的弹性模量较低时,无论底胶的弹性模量多高,胶层中心的等效应力均偏低。  (7)金属对接接头受中部冲击载荷作用时,弹性形变的应变率随着主胶层厚度的增大而减小,弹塑性应变量均有一定程度的增加,但正应力的大小下降明显。接头的等效应力随主胶层厚度的增大,先上升到一定值时再增大或降低的程度偏大,所以主胶的厚度定为0.2mm比较合适。  (8)金属对接接头受中部冲击载荷作用,底胶层的厚度越小时,弹性形变的应变率较大,随着底胶层厚度的增大,弹性形变的应变率、弹性应变量和塑性应变量、正应力的大小均随之减小,等效应力上升到一定值时再降低的程度逐渐减小,所以底胶的厚度定为0.1mm比较合适。  (9)金属对接接头中部受冲击载荷作用时,主胶在不同尺寸的缺口下,弹性应变在冲击开始时急剧上升,随后开始出现差异。随着缺口尺寸的增加,弹塑性应变随着减小。在XYZ三个方向上的正应力随缺口尺寸的增大而减小,当缺口尺寸为6mm时,塑性变形和正应力发生波动现象,且节点 Q处的等效应力的值非常小,远小于其它三种缺口的情况,其它三条等效应力曲线同正应力的曲线规律相同。节点P处的等效应力均出现不规则的锯齿型波动。  (10)金属对接接头受到端部冲击载荷作用时,靠近冲击载荷的上半部分胶层变为受拉应力作用,远离载荷的另一部分胶层变为受压应力作用;弹性应变的响应速率与主胶密切相关,主胶的弹性模量越小,弹性应变的响应速率越大,反之越小。在塑性应变过程中,当底胶的弹性模量越高于主胶的弹性模量,其胶层的塑性应变率和应变量越大,反之越小。对正应力Sx而言,只要复合胶层中含有弹性模量较大的胶粘剂,应力就比较大;对 Sy而言,底胶的弹性模量越大,正应力的值越大,反之越小;对Sz而言,其应力规律是Sx和Sy的综合。等效应力Seqv的大小与复合胶层的主胶有关,当主胶的弹性模量较高时,等效应力较大,反之较小。  (11)文中多出现锯齿形波动,这主要是由于应力在胶层中以应力波的形式传播导致,当复合胶层对应力波的响应速率小于应力波的传播速率时,应力曲线便呈现出类似锯齿的波形,由于锯齿波形的变化是增大到一定值时减小再增大的趋势,所以此种锯齿波形对接头没有破坏作用。节点P由于距离冲击载荷较近,所以应力和应变曲线没有节点Q平滑稳定,因此节点Q的应力分布和应变响应更具有研究价值。
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