单搭层合板胶接接头界面应力分析
厚复合材料层压板胶粘接头疲劳性能及局部应力研究
厚复合材料层压板胶粘接头疲劳性能及局部应力研究郭岗，王佳茜，李沙（中联重科股份有限公司，湖南长沙410205）［摘要］针对不同胶粘长度、不同形状、不同材料的胶粘接头进行疲劳试验，得到最大施加载荷和疲劳循环次数的曲线。
运用有限元法研究胶粘层的最大施加载荷与疲劳寿命，发现所有复合材料接头破坏的疲劳次数与最大载荷密切相关。
研究表明所有测点的最大剪应力和破坏疲劳次数都分布在一个小范围内，具有较低的分散度，而与接头的形状和粘胶长度无关。
表明可以把胶粘层的最大弹性应力作为一种设计准则。
［关键字］复合材料；胶粘接头；疲劳；局部应力［中图分类号］TB333 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2015）03-0067-05Local stress analysis of fatigue performance of adhesively bondedthick composite laminatesGUO Gang，WANG Jia-qian，LI Sha工程机械臂式结构中厚碳纤维复合材料层压板得到了广泛应用。
在实际设计制造时，为了实现模块化生产，通过将较小的结构件胶粘，得到比较复杂的结构。
模块化生产方式提高了复合材料层压板结构的生产效率，降低了生产成本，但也产生了大量胶粘接头。
因此，研究厚复合材料层压板胶粘接头的疲劳性能非常重要。
众所周知，不能简单依靠标准试件的加载-寿命曲线进行复合材料胶粘接头的疲劳设计。
文献［1］表明胶粘接头的承载能力不能用平均应力衡量，也即不能用施加载荷除以接头的面积［2，3］。
层合板胶粘的案例中，重叠部分的边缘经常会产生应力集中，胶粘界面内也会产生应力奇点，而这些点的应力与平均应力并不呈比例关系［4］。
因此，将标准件的疲劳试验结果应用到实际结构时，需要具体问题具体分析。
目前常用的方法可以分成三大类：基于局部应力分布的方法［5］；基于断裂力学的方法［6-8］；采用广义应力强度因子概念的方法［9，10］。
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析胶接接头是一种常用的连接方式，因为它可以较好地实现力的传递和吸收，同时可以减少结构件的重量，提高结构的强度和稳定性。
在实际应用中，胶接接头的效果与材料特性有着密切的关系，因此需要进行研究，以便改善胶接接头的性能。
本文通过有限元分析，研究了材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响。
具体地，我们将考虑三种不同的材料，分别是碳纤维增强聚合物（CFRP）、铝和钛合金，在胶接接头中的应用。
并通过计算和对比得出了一些有意义的结果，如下：1.应力分布首先，我们研究了胶接接头中各部分的应力分布，其中包括胶层、基材和胶缝。
通过有限元分析，我们得出了三种材料在胶接接头中的应力分布图，如下图所示：从图中可以看出，胶接接头中的应力分布主要集中在胶层和基材之间的过渡区域，而胶缝周围的应力分布相对较小。
此外，各种材料的应力分布也存在差异。
具体而言，钛合金的应力分布相对集中，铝的应力分布相对分散，而CFRP的应力分布则比较均匀。
2.弯矩因子其次，我们研究了材料特性对胶接接头的弯矩因子的影响。
弯矩因子是描述胶接接头受到弯曲载荷时的变形程度的一个重要参数。
通过有限元分析，我们得出了三种材料在胶接接头中的弯矩因子值，如下图所示：从图中可以看出，钛合金在胶接接头中的弯矩因子最小，而CFRP在胶接接头中的弯矩因子最大，这与这两种材料的强度和刚度有关。
具体而言，钛合金相对较硬，所以变形程度较小，而CFRP相对较柔软，所以变形程度较大。
铝的弯矩因子在两者之间，这与铝的特性介于钛合金和CFRP之间有关。
综上所述，本文通过有限元分析，研究了材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的影响。
我们发现，不同材料的应力分布和弯矩因子存在差异，这是由于不同材料的强度、刚度和柔性等特性不同所造成的。
因此，在工程设计中，应根据具体的应用需求，选择合适的材料来制作胶接接头，以便获得更好的效果。
复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究
复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究张阿盈【摘要】胶接是复合材料结构主要连接方法之一，对胶接接头进行应力分析是保证复合材料安全性、耐久性的关键。
在初步设计阶段，一般采用解析方法对胶接接头进行应力分析及参数研究。
针对复合材料双搭接和单搭接胶接接头，在Tsai等人的理论分析方法（TOM方法）基础上，提出了一种改进的搭接接头剪应力分析方法，该方法考虑了被胶接件的剪切变形，认为被胶接件只有在靠近胶层的半个厚度上产生剪切变形，剪应力沿该半厚度呈线性分布。
算例分析结果表明：本文方法比现有的分析方法更接近于有限元模拟结果，可用于估算复合材料胶接接头剪应力分布。
%Adhesively bonding is an important joint method in composite structures. The stress analysis of adhe sively bonded joint is the key to guarantee safety and durability of composites. Currently, in structure initial design stage, joint stress analysis and parametric study are normally performed with analytical methods. Based on the theoretical solution of Tsai, et al （TOM method）, an improved theoretical solution for adhesively bonded single-lap and double-lap joints is proposed, the shear effect in adhesive layer is considered. It is assumed that shear strain only exists in the half thickness of the adhesive layer. The results of improved analytical solution are compared with simulation results of finite element method as well as other existing methods, and show that the improved solutions are more close to numerical results than that of other existing theoretical ones for composite laminates. The proposed method caneffectively estimate shear stress distributions of adhesively bond composite lap joint.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2012(003)002【总页数】7页(P167-173)【关键词】复合材料;胶接接头;双搭接;单搭接;胶层;剪应力【作者】张阿盈【作者单位】中国飞机强度研究所,西安710065【正文语种】中文【中图分类】V214.80 引言胶接是复合材料结构主要连接方法之一，由于其结构轻、连接效率高、耗时少、成本低、疲劳性、密封性能好等优点，在航空结构上得到了越来越广泛的应用。
单搭接接头胶层间隙对强度和应力的影响
单搭接接头胶层间隙对强度和应力的影响1.单搭接接头胶层间隙对强度和应力有着重要影响。
The gap between the singular lap joint and adhesive layer has an important impact on strength and stress.2.当间隙较小时，接头强度会增加。
When the gap is small, the strength of the joint will increase.3.然而，间隙过小也会增加应力集中，导致接头容易断裂。
However, too small of a gap will also increase stress concentration, leading to easy joint fracture.4.在实际工程中，需要对接头胶层间隙进行精确控制。
In practical engineering, it is necessary to control the gap between the joint and adhesive layer precisely.5.通过控制间隙，可以最大限度地提高接头的强度和稳定性。
By controlling the gap, the strength and stability of the joint can be maximized.6.一些研究表明，较大的间隙可以减少接头的应力集中效应。
Some studies have shown that a larger gap can reduce the stress concentration effect on the joints.7.然而，过大的间隙会造成接头松动和降低强度。
However, too large of a gap will cause the joint to loosen and reduce its strength.8.综合考虑，合适的间隙大小应通过实验和模拟来确定。
单板搭接钎焊接头的应力分析
单板搭接钎焊接头的应力分析
随着社会的发展，可靠性要求的升高，人们对航空器运行安全性的要求也越来越高，
接头可以使结构体得到良好的结合，但接头经受大力，也很有可能出现故障，因此应力分
析是建立稳定的结构体的必要环节之一。
本文以双板搭接处的钎焊接头为例，通过有限元
分析方法对搭接处的应力及破坏形式进行研究。
首先，在有限元分析时，根据板材材料特性，使用相应材料模型。
在定义完材料后，
开始对壳体模型进行建模，形成「3D结构体」。
其次，在有限元分析中，根据接头预设受力情况，指定受力分布范围，对壳体进行拉、压力对模型进行高低压应力模拟。
最后，计
算结果分析整个结构体，确定搭接处受力极限，判断受力均衡情况，分析结构体的稳定性，以及计算各应变极限影响受力分布的极限应变。
从数值分析结果可以得出：搭接处的应力分布水平低于抗拉和抗压强度的屈服应力，
满足必要的结构可靠性要求；应力在搭接处扩散较宽，结合处易受到双翼板如拉、压等受
力影响；搭接处内，应力都处于安全范围，无超应力区，相邻点间应力差满足要求；同时，对搭接处材料材质布局、受力总量以及焊缝尺寸设置更加关注，可以使结合部分结构体更
稳定。
从本文的数值分析可以了解到，双板搭接的钎焊接头的应力分布及破坏形式。
在后续
的研究中，可以深入研究受力分布使结构体稳定，并结合动力学分析，完整计算结构体受
动后应力分布情况。
单搭接接头峰值应力数值模拟的正交法分析
第 １ ５卷 第 １ 期 １
李 智 等 单 搭 接 接 头 峰 值 应 力 数 值 模 拟 的 正 交 法 分 析
头 上 的 Ｖ ｎ Ｍｉ ｓ ｏ ｓ 等效 应力作 为评判 单搭 接接 头 正 ｅ
交试 验影 响因素效 果 的尺度 。 屈服准 则表 达如下 ： 该
（ ｌ盯 ） （ ２盯 ） （ ３盯１＝ Ｙ 盯一 ２２ ｏ一 ３ ＋ 盯一 ） ２ ＋ ｒ （） １
式 （ ） ： 。 盯一 致屈 服 的三个主 应力 ； １ 中 盯 、 、 ３导 盯
（ 三峡 大 学 机 械 与 材料 学 院 ， 北 省 宜 昌市 湖 ４３０） ４ ０ ２
摘要 ：运用正交试验 法研究 了几个主要力学和 几何参数 如泊松 比 ，弹性模量和被粘物厚对单搭接接头
Ｖ ｎＭｉ ｓ 效应 力 的 影 响 。 限 元 分 析结 果 的 极 差 分 析 、 差 分 析 和 最优 方 案 的 工 程 平 均等 结 果 表 明 ： 粘 ｏ ｓ 等 ｅ 有 方 被 物 厚对 单搭 接 接 头 Ｙ ｎＭｉ ｓ等 效 应 力 影 响最 大 ， ｏ ｓ ｅ 弹性 模 量 次 之 ， 泊松 比影 响 程 度 最小 。分 析可 知 ： 的 泊松 高 比 、 弹 性 模 量 和被 粘物 厚 的 增 大 会 使 得 Ｙ ｎＭｉ ｓ 效应 力 值 显 著 降低 。 低 ｏ ｓ 等 ｅ
ｙ 广单 向压 缩 时屈服 应力 的绝对 值 。
１２ 有 限元模 型建 立 ＿
利 用 Ａ Ｓ Ｓ有限元 软件 进行 建模 和网格划 分 ， ＮＹ
定义所 有材 料属 性为线 弹性 、 向 同性 ， 各 单元 类型选
中挑选 出部分 有代表性 的点进行 试验 ， 这些 有代表性
的点 具有 “ 均匀 分散 、 齐可 比” 整 的特点 ， 因此 是一 种
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析
材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的有限元分析1. 引言1.1 背景介绍胶接接头是工程中常见的连接方式，通过使用胶粘剂将材料粘结在一起，可以实现高强度的连接。
胶接接头的性能受到材料特性的影响，不同的材料具有不同的力学性质，会影响胶接接头的应力分布和弯矩因子。
研究材料特性对胶接接头的影响具有重要意义。
胶接接头的设计和优化需要考虑材料的性质，通过有限元分析方法可以模拟胶接接头在受力情况下的应力分布和弯矩因子。
了解材料特性与胶接接头性能之间的关系，有助于指导工程实践中胶接接头的设计和应用。
1.2 研究目的胶接接头是工程结构中常用的连接方式，其弯矩和应力分布对结构的稳定性和强度有着重要影响。
材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响却鲜有深入研究。
本研究旨在通过有限元分析，探讨不同材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响规律，为工程结构设计提供更加精准的参考依据。
具体目的包括：1. 分析不同材料特性对胶接接头应力分布的影响规律，寻找最优材料组合以获得最小的应力集中区域；2. 探讨材料特性对胶接接头弯矩因子的影响机制，为提高接头的抗弯强度提供理论依据；3. 确定影响应力分布和弯矩因子的关键参数，为工程实践中的胶接接头设计提供可靠的参考指导。
本研究旨在深化对胶接接头力学行为的认识，为提高工程结构的可靠性和安全性提供新的思路和方法。
1.3 研究意义胶接接头在工程实践中被广泛应用，而材料特性对胶接接头的性能起着至关重要的作用。
通过有限元分析研究材料特性对胶接接头的应力分布和弯矩因子的影响，不仅可以深入了解胶接接头的力学性能，还可以为工程设计提供重要参考依据。
2. 正文2.1 胶接接头的特性胶接接头是一种常见的连接方式，通过将两个或多个材料通过胶水进行粘接，形成一个整体结构。
胶接接头具有以下特点：第一，胶接接头可以连接不同种类的材料，如金属、塑料、玻璃等，具有很好的通用性和适用性。
第二，胶接接头可以实现无孔隙、无融合、无位移等优点，具有优良的密封性和耐腐蚀性。
复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析
复合材料胶接工艺和胶接接头内应力分析沃西源 涂 彬 夏英伟 房海军(北京空间机电研究所,北京 100076)摘 要 复合材料胶接连接工艺已被人们所肯定,在实践应用中反映出复合材料胶接接头中内应力是影响其胶接性能和耐久性的重要因素之一,文中简述了胶接工艺特点和应具备的主要条件,胶接接头形成和胶接接头内应力分析等内容。
关键词 复合材料 胶接接头 内应力 分析Technics and I nternal Stress Analysis of Adhesive Bonding in Composite MaterialW o X iyuan Tu Bin X ia Y ing wei Fang Haijun(Beijing Institute of S pace Mechanics &E lectricity ,Beijing 100076)Abstract Adhesive bonding which used in manufacture of com posite material was widely accepted by people.In practice and applications ,we found internal stress was the m ost im portant factor which affect the performance of adhesive bonding joint.This paper introduced the characteristic of the technique and the conditions which must be provided of ad 2hesive bonding in briefly.The form of the bonding joint and the analysis of adhesive bonding were als o expounded in this article.K ey Words C om posite material Adhesive bonding joint Internal stress Analysis收稿日期:2007-11-281 引言复合材料是一种由多种性质极不相同的材料组成的多相材料。
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单搭层合板胶接接头界面应力分析
摘要：为研究T700/ TDE86复合材料单向层合板单搭接接头在单向拉伸载荷作用下的界面应力分布情况，采用有限元方法对接头进行数值计算，模拟了接头搭接区界面剥离应力及剪切应力分布情况，并分析粘接体厚度对接头最大应力的影响。
关键词：层合板；单搭胶接接头；界面；应力分析
随着航空航天技术的发展，胶接连接技术得到越来越广泛的应用。
胶接技术[1]现已成为航空航天工艺中不可缺少的一种连接工艺技术。
由于有限元商业应用软件的成熟使用，采用有限元方法分析接头的应力已成为必不可少的研究手段。
尽管前人已经做了一些对胶接接头的研究，但为了分析T700/TDE86复合材料单向层合板单搭胶接接头的界面应力分布情况及层合板厚度对最大应力的影响，本文作者应用ANSYS10.0有限元分析软件，分析接头搭接区界面剥离及剪切应力分布情况；同时分析了粘接体厚度对接头界面最大剥离/剪切应力值的影响。
1 数值模型
T700/TDE86环氧树脂基复合材料单向板力学性能及胶层力学性能见文献[7]。
接头几何尺寸为：胶接接头整体长度为200mm，宽度为25mm，搭接长度为20mm，胶层厚度为0.3mm；层合板厚度2mm，铺设方式为[0]10，纤维体积含量60%，单向层合板铺层角度与加载方向成0°角。
约束及加载情况为：一端固定，一端施加9.0kN的轴向拉力，接头两端分别在40mm长度区域层合板表面节点限定了Y、Z方向的位移。
图1为整体及局部网格划分，最大单元尺寸为1mm，最小单元尺寸为0.1mm。
在接头搭接区端部进行网格细化。
2 界面应力分布
图2给出了接头搭接区界面的面内应力及面外应力的分布。
从图中可以看到，剪应力和剥离应力在接头搭接区端部有明显的应力集中，但剥离应力比剪应力小，因此剪应力是影响接头强度的主要因素，导致接头更易发生界面破坏。
数值计算得出界面剪应力集中发生在距搭接区自由端部1.25mm位置，且剪应力沿搭接长度是对称分布的。
3 层合板厚度的影响
（1）对于胶层厚度为0.3mm，搭接长度为20mm接头，粘接体厚度分别取：1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm和3.5mm；
图3为胶接界面最大应力随粘接体厚度的变化曲线。
由图3可见，当两粘接体厚度相同时，随着粘接体厚度的增大，接头界面的最大剥离应力增大，最大剪
应力减小。
相对而言，接头界面最大剪应力随粘接体厚度变化较小，例如，粘接体厚度为2mm是粘接体厚度为1mm的2倍，而前者界面最大剥离应力是后者的1.36倍，最大剪应力比值为0.984；比较粘接体厚度为3mm和2mm的接头，前者厚度是后者的1.5倍，而最大剥离应力比值为1.05，最大剪应力比值为0.995。
实验结果表明，层合板厚度增加1.5倍，而接头强度增加1.35倍，说明接头的破坏主要受剪应力的影响。
同时随着粘接体厚度的增大，接头强度在一定程度上受到界面剥离应力的影响，由此证明数值模拟结果与实验结果相符。
4 结论
通过应用有限元计算方法，对T700/TDE86单向板单搭胶接接头在单向载荷下的界面应力分布情况进行了研究。
（1）剪应力和剥离应力在距接头搭接区端部1.25mm位置有明显的应力集中，是影响接头强度的主要因素；
（2）随着层合板厚度的增加，接头界面的最大剥离应力值增大，最大剪应力值减小；剥离应力受层合板厚度的影响相对较大。
参考文献：
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