间隙连接对胶接接头应力分布和强度的影响

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 收 稿 日 期 :2004 - 01 - 06 ;修 回 日 期 :2004 - 04 - 05 3 湖 北 省 教 育 厅 自 然 科 学 研 究 重 大 资 助 项 目 :No. 2003Z001 孔 凡 荣 ,1980 年 出 生 ,硕 士 ,主 要 从 事 连 接 接 头 强 度 计 算 与 数 值 模 拟 的 研 究 工 作 间 隙 连 接 对 胶 接 接 头 应 力 分 布 和 强 度 的 影 响 3 孔 凡 荣 游 敏 郑 小 玲 杨 春 梅 (三 峡 大 学 机 械 与 材 料 学 院 , 宜 昌 443002) 文 摘 运 用 弹 塑 性 有 限 元 法 结 合 实 验 研 究 了 连 续 和 间 隙 连 接 的 单 搭 接 接 头 应 力 分 布 规 律 ,并 考 虑 了 胶 瘤 的 影 响 。 结 果 表 明 ,在 相 当 大 间 隙 长 度 范 围 内 和 适 当 的 间 隙 位 置 条 件 下 ,间 隙 连 接 接 头 并 没 有 大 幅 度 地 减 小 其 承 载 能 力 ,相 反 其 有 效 搭 接 区 域 剪 切 强 度 呈 明 显 升 高 趋 势 ;胶 层 应 力 峰 值 仍 然 发 生 在 搭 接 末 端 ;胶 瘤 承 担 了 相 当 大 的 载 荷 作 用 ;过 大 的 间 隙 长 度 以 及 不 当 的 间 隙 位 置 会 导 致 胶 层 靠 近 间 隙 端 应 力 集 中 明 显 加 剧 ,成 为 新 的 高 应 力 区 ,可 能 导 致 接 头 破 坏 模 式 的 改 变 。 实 验 结 果 与 数 值 分 析 结 果 很 好 地 吻 合 。 关 键 词 胶 接 接 头 ,间 隙 连 接 ,应 力 分 布 ,有 限 元 法 ,胶 瘤 Effect of Recessed Bonding on Stress Distribution and Strength of Adhesively Bonded Joints Kong Fanrong You Min Zheng Xiaoling Yang Chunmei (College of Mechanical and Material Engineering , China Three Gorges University , Yichang 443002) Abstract The stress distribution of continuous and recessed bonding single2lap joints is discussed with use of elas2 to2plastic finite element method (FEM) and experiment , considering the effect of fillet. The results show that with suit2 able position and a rather wide range of recessing , the shear strength of effective lap length increases distinctly instead of evidently reducing carrying capacity for recessed bonding. The maximum stress appears still in the endpart of lap joints and there is a higher stress in the fillet. Oversize recessing or improper position results in sharp stress concentration near the recessing to be a new higher stress zone , which may lead to the alternation of failure mode of joints. The finite element results show a close agreement with experimental results. Key words Adhesively bonded joint , Recessed bonding , Stress distribution , Finite element method ,Adhesive fil2 let 1 前 言 现 代 工 业 的 发 展 ,对 产 品 的 质 量 和 费 用 都 提 出 了 更 高 的 要 求 ,尤 其 是 在 汽 车 和 航 空 航 天 领 域 更 是 如 此 ,因 此 胶 接 作 为 一 种 高 质 、 轻 载 、 低 费 的 连 接 方 式 就 成 为 了 首 要 的 选 择 。 与 其 他 传 统 的 连 接 方 式 相 比 ,胶 接 能 够 以 更 低 的 费 用 、 更 轻 的 质 量 得 到 相 当 于 或 者 优 于 其 他 连 接 方 式 的 性 能 。 作 为 进 一 步 降 低 费 用 和 结 构 质 量 的 一 种 尝 试 ,实 验 中 取 出 了 胶 接 接 头 搭 接 区 域 中 的 部 分 胶 ,使 胶 层 中 形 成 一 段 或 一 段 以 上 的 间 隙 ,这 种 连 接 方 式 被 称 为 间 隙 连 接 。 迄 今 为 止 ,关 于 间 隙 连 接 胶 接 接 头 的 应 力 分 布 和 强 度 研 究 的 报 道 尚 不 多 见 ,研 究 主 要 集 中 在 —93—宇 航 材 料 工 艺 2004 年 第 4 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 连 续 单 搭 接 接 头 强 度 和 应 力 问 题 。 Olia[1 ]和 T. P. Lang[2 ]对 间 隙 连 接 做 过 一 些 数 值 分 析 ,但 前 者 把 间 隙 视 为 一 种 缺 陷 ,后 者 主 要 用 有 限 元 的 方 法 分 析 了 单 段 间 隙 对 单 搭 接 接 头 胶 层 应 力 分 布 的 影 响 , 但 是 模 型 很 粗 糙 ,有 待 进 一 步 改 进 。 郭 忠 信 [3 ] 对 铝 合 金 胶 接 接 头 在 搭 接 长 度 的 中 部 留 一 些 不 涂 胶 的 空 隙 进 行 剪 切 强 度 测 试 ,结 果 表 明 中 间 留 一 定 范 围 的 空 隙 基 本 上 不 影 响 接 头 总 的 承 载 能 力 。 游 敏 等 [4 ,5 ]做 了 进 一 步 实 验 研 究 发 现 胶 层 间 隙 的 存 在 虽 然 名 义 强 度 降 低 ,但 对 于 提 高 单 搭 接 接 头 的 实 际 强 度 有 明 显 的 作 用 ,剪 切 强 度 最 大 值 可 比 连 续 接 头 增 加 90 %。 本 文 运 用 弹 塑 性 有 限 元 法 对 间 隙 长 度 及 间 隙 位 置 分 布 形 式 对 胶 接 接 头 应 力 分 布 及 强 度 的 影 响 进 行 分 析 。 2 有 限 元 模 型 的 建 立 试 件 模 型 的 几 何 尺 寸 见 图 1 ,试 件 板 长 100 mm , 宽 50 mm ,厚 2 mm ,胶 层 厚 0. 12 mm ,上 、 下 板 和 胶 粘 剂 层 网 格 各 分 为 三 层 ,搭 接 区 边 缘 附 近 区 域 网 格 细 分 ,最 小 尺 寸 为 0. 04 mm ,改 变 间 隙 长 度 和 位 置 时 , 胶 层 靠 近 间 隙 一 端 和 搭 接 边 缘 的 网 格 尺 寸 大 小 保 持 不 变 。 分 析 中 不 考 虑 胶 层 中 存 在 气 孔 等 空 隙 ,假 定 结 构 连 接 完 好 ,结 合 面 上 不 存 在 缺 陷 ,搭 接 末 端 存 在 等 腰 三 角 形 胶 瘤 ,胶 瘤 直 角 边 长 为 被 粘 物 厚 度 与 胶 层 厚 度 之 和 。 计 算 中 所 用 材 料 的 力 学 性 能 列 于 表 1 ,被 粘 物 为 45 # 钢 ,胶 粘 剂 为 环 氧 树 脂 胶 XH - 11。 利 用 ANSYS 5. 7 有 限 元 分 析 软 件 ,计 算 了 外 加 载 荷 P = 1 kN(即 名 义 应 力 σ 1 = 20 MPa) 条 件 下 接 头 搭 接 区 中 的 应 力 分 布 。 分 析 考 虑 了 材 料 非 线 性 ,用 双 线 性 应 力 应 变 曲 线 描 述 材 料 的 弹 塑 性 性 能 。 三 维 有 限 元 分 析 表 明 ,胶 层 沿 板 宽 度 方 向 的 应 力 呈 两 边 低 中 间 高 的 分 布 [6 ] ,故 本 文 重 点 研 究 板 宽 中 心 截 面 上 的 应 力 分 布 。 图 1 试 样 尺 寸 和 有 限 元 模 型 Fig. 1 Dimensions of specimen and mesh of FEM 1 - 被 粘 物 ; 2 - 胶 层 ; 3 - 胶 瘤 。 表 1 有 限 元 分 析 中 所 用 材 料 的 力 学 性 能 Tab. 1 Mechanical properties of the adhesives and adherents of FEM analysis 材 料 弹 性 模 量 E/ GPa 泊 松 比 ν 屈 服 强 度 σ N/ GPa 硬 化 模 量 Er/ GPa 45 # 钢 210 0. 3 353 2 环 氧 树 脂 胶 1. 888 0. 33 50 0. 05 3 结 果 与 讨 论 3. 1 间 隙 长 度 对 接 头 应 力 分 布 规 律 的 影 响 运 用 弹 塑 性 有 限 元 分 析 了 采 用 环 氧 树 脂 胶 制 备 的 单 搭 接 接 头 ( L = 25 mm) 在 不 同 间 隙 长 度 b 下 板 宽 中 心 截 面 上 胶 层 界 面 和 中 央 处 应 力 分 布 规 律 。 结 果 表 明 ,不 同 间 隙 长 度 下 接 头 应 力 分 布 趋 势 大 体 相 同 ,胶 层 内 应 力 峰 值 都 处 于 搭 接 末 端 区 域 ,胶 层 中 部 是 低 应 力 区 ,对 接 头 的 承 载 能 力 贡 献 不 大 ;在 一 定 范 围 内 ( b 小 于 15 mm) 随 着 间 隙 长 度 的 增 加 ,应 力 峰 值 增 加 不 明 显 ,实 际 剪 切 强 度 反 而 上 升 了 ,同 时 值 得 注 意 的 是 ,胶 层 靠 近 间 隙 端 应 力 上 升 幅 度 明 显 ,胶 瘤 的 承 载 作 用 进 一 步 增 强 ;胶 瘤 形 状 对 应 力 分 布 的 影 响 作 用 详 见 文 献 [4 ,7 ]。 随 着 间 隙 长 度 的 增 加 ,胶 层 界 面 上 应 力 峰 值 由 胶 层 内 被 粘 物 拐 角 处 趋 于 向 胶 瘤 外 侧 转 移 ,同 时 胶 层 上 (下 )界 面 右 (左 )段 胶 层 靠 近 间 隙 区 域 成 为 新 高 应 力 增 长 区 (图 2) 。 胶 层 中 央 应 力 峰 值 区 随 着 间 隙 长 度 的 增 加 由 被 粘 物 拐 角 处 向 胶 层 内 靠 近 间 隙 端 转 移 (图 3) 。 在 胶 层 界 面 上 应 力 分 布 形 式 以 轴 向 应 力 为 主 ;在 胶 层 内 部 应 力 分 布 形 式 则 以 剪 切 应 力 为 主 , 搭 接 长 度 中 部 为 低 剪 切 应 力 区 。 图 4 给 出 了 搭 接 长 度 为 25 mm 采 用 45 # 钢 和 环 氧 树 脂 胶 XH - 11 制 备 的 单 搭 接 连 续 和 间 隙 接 头 强 度 的 实 验 结 果 。 可 以 看 出 间 隙 连 接 的 单 搭 接 接 头 强 度 与 连 续 的 接 头 强 度 相 比 ,虽 然 最 大 破 坏 载 荷 有 所 降 低 ,但 是 搭 接 区 域 的 实 际 剪 切 强 度 却 大 幅 度 地 增 加 ,当 间 隙 为 16 mm 时 ,最 大 剪 切 强 度 比 连 续 接 头 几 乎 增 大 80 %。 这 证 明 了 胶 接 中 部 区 域 的 胶 粘 层 对 接 头 的 承 载 能 力 贡 献 不 大 的 理 论 ,与 数 值 模 拟 结 果 相 吻 合 。 —04— 宇 航 材 料 工 艺 2004 年 第 4 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (a) 轴 向 应 力 (b) 剥 离 应 力 (c) 剪 切 应 力 图 2 间 隙 长 度 对 胶 层 上 界 面 应 力 分 布 影 响 的 数 值 模 拟 结 果 Fig. 2 Numerical simulation of influence of recess length on stress distribution at interface of adhesive layer (a) 轴 向 应 力 (b) 剥 离 应 力 (c) 剪 切 应 力 图 3 间 隙 长 度 对 胶 层 中 央 应 力 分 布 影 响 的 数 值 模 拟 结 果 Fig. 3 Numerical simulation of influence of recess length on stress distribution at adhesive midthickness —14—宇 航 材 料 工 艺 2004 年 第 4 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 4 连 续 和 间 隙 连 接 接 头 强 度 的 实 验 结 果 Fig. 4 Experiment results of strength on continuous and recessed bonding single2lap joints 3. 2 间 隙 位 置 对 接 头 应 力 分 布 的 影 响 为 了 分 析 间 隙 位 置 对 接 头 应 力 分 布 和 强 度 的 影 响 ,分 别 就 搭 接 长 度 一 定 ( b = 15 mm ,L = 25 mm) 采 用 环 氧 树 脂 胶 制 备 的 单 搭 接 接 头 ,在 a = 0 mm、 1 mm、 2 mm、 3 mm、 4 mm 和 5 mm 六 种 间 隙 位 置 条 件 下 胶 接 接 头 应 力 分 布 规 律 进 行 了 有 限 元 分 析 。 结 果 表 明 :不 同 位 置 间 隙 的 条 件 下 ,胶 层 应 力 分 布 有 着 明 显 不 同 ,偏 离 搭 接 长 度 中 心 对 位 置 越 远 (即 a 值 越 大 ) ,胶 层 界 面 上 靠 近 间 隙 端 附 近 区 域 的 应 力 集 中 越 明 显 ;间 隙 位 于 最 偏 位 置 ( a = 0) 时 ,胶 层 - 被 粘 物 界 面 上 靠 近 间 隙 端 的 应 力 集 中 相 对 于 间 隙 位 于 搭 接 长 度 中 心 位 置 (即 a = 5 mm) 时 上 升 2 倍 之 多 ,轴 向 应 力 峰 值 由 搭 接 端 部 胶 瘤 内 向 胶 层 内 靠 近 间 隙 一 侧 转 移 ,见 图 5 (a) 。 同 时 ,随 着 间 隙 位 置 偏 离 中 心 位 置 越 远 (即 a 值 增 加 ) ,胶 层 内 部 剪 切 应 力 分 布 趋 于 不 平 衡 ,左 段 胶 层 内 应 力 水 平 升 高 ,而 右 段 胶 层 内 应 力 水 平 下 降 ,见 图 5 (b) 。 综 上 所 述 ,间 隙 长 度 一 定 时 ,处 于 搭 接 长 度 中 心 位 置 的 间 隙 对 接 头 应 力 集 中 影 响 最 小 ;反 之 ,间 隙 偏 离 搭 接 中 心 位 置 越 远 则 越 加 剧 搭 接 区 域 应 力 集 中 程 度 ,应 力 峰 值 由 搭 接 末 端 胶 瘤 内 趋 于 向 胶 层 内 靠 近 间 隙 一 侧 转 移 ,这 可 能 导 致 接 头 破 坏 模 式 的 改 变 。 由 于 篇 幅 有 限 ,对 于 分 段 间 隙 对 接 头 应 力 分 布 和 强 度 的 影 响 将 会 另 作 阐 述 。 (a) 胶 层 界 面 上 轴 向 应 力 (b) 胶 层 中 央 剪 切 应 力 图 5 间 隙 位 置 对 胶 层 界 面 上 轴 向 应 力 和 胶 层 中 央 剪 切 应 力 分 布 的 影 响 Fig. 5 Influence of recess position on axial stress and shear stress distribution 4 结 论 (1)与 连 续 接 头 应 力 分 布 规 律 相 比 ,间 隙 连 接 接 头 搭 接 区 域 应 力 峰 值 仍 然 发 生 在 搭 接 末 端 (胶 瘤 内 ) ,胶 瘤 承 载 作 用 加 强 ;在 间 隙 位 置 适 当 条 件 下 连 接 接 头 在 较 大 间 隙 长 度 范 围 内 并 没 有 大 幅 度 地 降 低 其 承 载 能 力 ,相 反 ,其 有 效 搭 接 区 域 剪 切 强 度 呈 明 显 升 高 趋 势 。 (2)实 验 结 果 和 数 值 模 拟 表 明 ,设 计 合 理 的 间 隙 连 接 有 利 于 实 际 承 载 能 力 (强 度 )的 提 高 ,并 可 以 作 为 一 种 高 质 、 轻 结 构 质 量 、 低 费 用 的 连 接 方 式 加 以 应 用 。 (3)间 隙 长 度 过 大 以 及 间 隙 位 置 过 于 偏 离 搭 接 —24— 宇 航 材 料 工 艺 2004 年 第 4 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 中 心 位 置 均 会 导 致 胶 层 靠 近 间 隙 端 应 力 集 中 明 显 加 剧 ,成 为 新 的 高 应 力 区 ,并 可 能 导 致 接 头 破 坏 模 式 的 改 变 。 参 考 文 献 1 Olia M , Rossettos J N. Analysis of adhesively bonded joints with gaps subjected to bending. Int. J . Solids Struct , 1996 ; 33 (18) : 2 681～ 2 693 2 Lang T P , Mallick P K. The effect of recessing on the stresses in adhesively bonded single - lap joints. International Jour2 nal of Adhesion 19 :257～ 271 3 郭 忠 信 1 铝 合 金 结 构 胶 接 1 国 防 工 业 出 版 社 ,1993 4 郑 小 玲 ,娜 日 松 ,游 敏 等 . 胶 瘤 对 单 搭 接 胶 接 接 头 强 度 的 影 响 . 三 峡 大 学 学 报 ,2001 ; (6) :530～ 532 5 游 敏 . 金 属 - 胶 层 复 合 材 料 接 头 性 能 及 基 础 研 究 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ,2002 6 Goncalves J P M , De Moura M F S F , De Castro P M S T. A three - dimensional finite element model for stress analysis of adhesively joints。 International Journal of Adhesion 22 :357～ 365 7 Lang T P , Mallick P K. Effect of spew geometry on stress2 es in single lap adhesive joints. International Journal of Adhesion 18 :167～ 177 (上 接 第 34 页 ) 和 陶 瓷 颗 粒 的 膨 胀 量 与 基 体 塑 性 变 形 量 之 和 。 压 应 力 对 膨 胀 产 生 的 阻 碍 作 用 引 起 的 膨 胀 量 的 减 小 可 能 远 小 于 其 所 引 起 的 基 体 塑 性 变 形 量 ,因 而 最 终 导 致 了 此 阶 段 复 合 材 料 变 形 量 的 增 加 ,从 而 使 线 膨 胀 系 数 增 加 。 关 于 这 一 解 释 , 可 以 从 图 3 中 当 温 度 高 于 200 ℃ 时 复 合 材 料 线 膨 胀 系 数 随 温 度 变 化 的 斜 率 变 大 现 象 得 到 验 证 。 所 以 在 高 温 加 热 区 时 应 力 对 膨 胀 量 的 改 变 有 较 大 影 响 ,应 力 的 改 变 引 起 了 线 膨 胀 系 数 较 大 的 改 变 。 4 结 论 (1) SiCp/ ZL101 复 合 材 料 的 线 膨 胀 系 数 比 ZL101 合 金 的 线 膨 胀 系 数 显 著 降 低 。 (2) 在 Turner 模 型 和 Kerner 模 型 对 SiCp/ ZL101 复 合 材 料 的 线 膨 胀 系 数 计 算 值 中 , Turner 模 型 的 计 算 值 与 实 验 值 更 接 近 。 (3) SiCp/ ZL101 复 合 材 料 ,在 低 温 加 热 区 时 ,应 力 因 素 对 线 膨 胀 系 数 变 化 的 贡 献 不 明 显 ,在 高 温 加 热 区 时 ,应 力 的 改 变 能 引 起 线 膨 胀 系 数 较 明 显 的 改 变 。 参 考 文 献 1 Carl Zweben. Advances in composite materials for thermal management in electronic packaging. JOM ,1998 ;50 (7) :47～ 51 2 催 岩 等 . 碳 化 硅 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 航 空 航 天 应 用 . 材 料 工 程 , 2002 ; (6) :3～ 6 3 黄 强 等 . 电 子 封 装 材 料 的 研 究 现 状 . 材 料 导 报 , 2000 ;14 (9) :28～ 32 4 张 建 云 等 . 陶 瓷 粒 子 增 强 铝 基 复 合 材 料 制 取 新 工 艺 及 其 磨 损 性 能 . 机 械 工 程 材 料 , 1996 ;20 (4) :26～ 28 5 Sharma S C. Effect of albite particles on the coefficient of thermal expansion behavior of the Al6061 alloy composites. Metallur2 gical and materials transactions ,2000 ;31A(3) :773～ 780 6 张 国 定 等 . 金 属 基 复 合 材 料 . 上 海 : 上 海 交 通 大 学 出 版 社 ,1996 :13 7 刘 鸿 文 . 材 料 力 学 . 北 京 :人 民 教 育 出 版 社 ,1979 :43 8 Geiger A L , Jackson M. Low expansion MMCs boost avionics. Advanced Materials Processes , 1989 ; (7) :23～ 30 9 Vaidya R U , Chairla K K. Thermal expansion of metal matrix composites. Composites Science and Technology , 1994 ; 50 (1) :13～ 22 —34—宇 航 材 料 工 艺 2004 年 第 4 期