搭接长度对胶焊接头应力分布的影响
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。
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。
铝合金胶接对接接头应力分布的数值分析
铝合金胶接对接接头应力分布的数值分析谭宗柒;李灿灿;游敏;叶惠军【摘要】铝合金在采用对接接头胶接时能保证连接强度,但其应力分布不容易分析.通过数值分析方法,在ANSYS软件平台中通过搭建两种不同形式的铝合金对接接头,研究模型弯曲时其应力分布情况.胶层应力在两端部分波动较大,在中间应力分布比较有规则,X、Y与第一主应力与胶结长度几乎成线性分布,而胶层的平均应力关于胶层的中点位置几乎呈现对称的抛物线分布.基于以上规律可以为铝合金在受到载荷时对接头的设计提供一定的方法和建议.%The aluminum alloy is butt-joint as structural adhesive can afford enough bonding strength, but the stress distribution is hard to analysis. This paper uses the finite element method in ANSYS software platform building two different butt-joints models of the aluminum alloy, the stress distribution of the bondline when suffered the flexural moment as flow, the bonding stress unsteadily on the both sides, and regularly on the middle party. X, Y stress and major principal stress linear distribution with the bondline, and the mean stress parabolic distribution about the midpoint of bondline symmetrically. These regulars are useful for design of the butt-join of aluminum alloy.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(033)005【总页数】3页(P72-74)【关键词】铝合金;胶接接头;应力分布;有限元【作者】谭宗柒;李灿灿;游敏;叶惠军【作者单位】三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TH123+.4胶接技术作为新兴的连接技术具有比强度高等优点，已被广泛应用于航空航天等领域中.在建筑中使用胶接同样可以保证建材的结构强度，并且外观优美密封性好，利于材料的循环使用.接头形式是对接接头承载能力及形变的重要因素.目前对接接头应用及研究较少，且大多通过实验的方法，但实验法不便于测量接头在负载作用下胶层内部的应力分布.分别讨论在受到沿X轴正方向与负方向产生弯矩下铝合金直端面对接胶接和斜端面对接胶接两种模型中胶层应力分布情况.通过ANSYS分析表明，在受弯矩的情况下与直端面相比斜端面承载性能相对较好.1 仿真方案和参数设计设计模型仿真方案及所受载荷如图1所示.图1（a）中被粘物体为铝合金截面直径为10mm的圆柱体，高为27.5mm.胶厚为0.2mm，长度为10mm.（b）、（c）中被粘物体的粘接面为斜面，其长边为30 mm，短边为25mm.这样胶层为一个斜面，其与轴线的倾斜角度为63°，胶厚为0.2mm，长度约为11.18 mm.材料属性见表1［1］.表1 材料属性表材料属性铝合金胶粘剂弹性模量／GPa 71 2.875泊松比 0.32 0.42硬化模量／GPa 240 500屈服强度／GPa 400 902 有限元模型的建立建模选用的有限元单元类型为PLANE183，该单元利用二维单元选项模拟三维变形，并且对四边形单元具有很好的融合性.按照图1仿真方案所示，在软件中对3种模型的底端面均施加全约束.（a）和（b）两种方案中，载荷沿X轴正方向施加在模型左上角的节点上；（c）方案中，载荷沿X轴的负方向同样施加在模型左上角的节点上.载荷的大小均为100N.用直接头网格模型来表示3种方案有限元模型的建立，划分网格、施加约束和载荷，如图3所示.图3 直接头网格模型从图3可看出，F与胶层在同一个方向，并且有一定的偏心距，这样载荷F对胶结层产生一个力矩的作用.本文研究胶层在力矩作用下的应力分布情况.方案（b）与（c）的区别在于模型胶层为斜面，而所受力矩分别为顺时针和逆时针，由于力矩方向的不同在斜面中产生的各个方向应力分量会有不同.在有限元软件ANSYS中建立模型，求解后在后处理中用路径命令流path，选择胶层中间位置两端为路径的起点和终点.直接头的路径与X轴平行，斜接头的路径与X轴有一定的夹角，角度为63°.3 结果与讨论通过在ANSYS后处理中设置的路径，3种方案中胶层的X、Y、XY方向的应力及第一主应力S1和平均应力Seqv.其应力分布如图4～8所示.图4 X方向应力分布图4为胶层在X方向的应力分布情况.由曲线分布可以看出胶层在负载的作用下产生了正负双向的应力.直端面在正方向上的最大应力为60MPa，负方向上的最大应力也为60MPa；起点处的应力与终点的应力在X方向均为20MPa.斜端面在正方向上的最大应力为37MPa，负方向上的最大应力约为41 MPa；起点处的应力与终点处在X方向的应力均为10MPa，但方向相反.在这两种方案中，胶层X方向的应力分布情况一致，在胶层两端应力的变化较大，在同一起始端位置处上升到极值，中间过程几乎为分段线性变化.从图中可看出斜端面的应力普遍比直端面的应力要小.图5 Y方向应力分布图5为胶层在Y方向应力分布情况.胶层在负载的作用下产生了同样正负双向的载荷.直端面在正方向上的最大应力为135MPa，负方向上的最大应力也为135MPa；起点处的应力与终点的应力在Y方向均为125MPa.斜端面在正方向上的最大应力为122 MPa，负方向上的最大应力约为111MPa；起点处在Y方向的应力约为112MPa，终点处的应力约为102 MPa，方向相反.在这两种方案中，胶层Y方向的应力分布情况一致，两种情况起始端的同一位置处上升到应力最大值，中间段几乎为分段线性变化.从图中曲线可以看出斜端面的应力普遍比直端面的应力要低.图6 XY方向应力分布图6为胶层在XY方向应力分布情况.直端面产生的应力都在正方向区间，起始两端应力较小，最大应力分布在3～7mm区间.应力分布几乎关于x＝5mm对称，但在终点处应力下降较快.最大应力约为13.5MPa；最小应力约为2MPa.而斜端面胶层在0～2mm区间产生了负方向的应力，最大应力约为6MPa，正方向最大应力出现在9mm处，约为12 MPa.起点处在XY合力方向的应力约为4MPa，方向是负方向；终点处为正方向的应力约为5MPa，在胶层两端应力波动较大.在1～7.5mm区间中，斜端面的应力明显低于直端面的应力.图7 第一主应力分布图7为胶层第一主应力分布情况.直端面与斜端面产生的应力均在正方向区间.直端面起始端应力为125MPa，最大应力在0.4mm 处，为135MPa.在0.4～5.6mm应力几乎为分段线性变化，5.6mm 之后应力为0.当斜端面胶接受到正方向载荷时，其应力分布与直端面相似，起始点应力为113MPa，最大应力在0.4mm处，为122MPa.而斜端面胶接受到负方向载荷时，0～4mm区间应力值为0，从4mm开始应力几乎为分段线性变化，在10.7mm处有最大应力约为113MPa，终点处应力约为103MPa.图8 胶层平均应力分布图8为胶层平均应力分布情况.直端面与斜端面产生的应力同样均在正方向区间.直端面起始端应力为116.6MPa，最大应力在0.4mm 处，为118MPa，0.4～3mm 区间应力成线性变化，3～7mm区间应力成抛物线规律变化，开口向上.曲线几乎关于x＝5 mm对称.最小应力为23.5MPa.在始终两端，应力的波动较大，表明由于胶层受到塑性变形使得应力分布情况较复杂.斜端面胶层平均应力分布情况与直端面胶层相似.起始端应力为109MPa，最大应力在0.4mm处，为110MPa，0.4～3mm区间应力成线性变化，3～9 mm区间应力成抛物线规律变化，开口向上.后面几乎为线性变化.最小应力为19.8MPa.在3～5mm区间斜端面应力高于直端面，其他区间应力均低于直端面.4 结论（1）通过以上仿真结果的分析，胶层在受到力矩作用下，两端部分受到弹性与塑性变形的综合作用下应力大小有一定的波动；中间段应力分布有一定的规律.由第一主应力和平均应力来看，斜端面的峰值应力比直端面略小20MPa和10MPa. （2）由图4～8可以看出，胶结接头的形式只对XY应力分布规律产生了影响，对其他各个方向上的应力分布规律没有产生作用.而在斜端面接头中，力矩的作用只对第一主应力分布产生了影响，原因是第一主应力为胶层的劈裂力，端面被拉部分产生劈裂作用，表现出来第一主应力，而被压部分则不产生第一主应力.参考文献:［1］游敏，罗威.基于ANSYS／PDS的铝合金同轴胶接接头可靠性分析［J］.中国胶粘剂，2009，18（12）:1－4.。
航空器复合材料胶接接头设计(ABAQUS-XFEM)
摘要复合材料结构的连接形式主要分为胶接和机械连接，随着复合材料在航空航天领域的广泛应用，胶接因其在复合材料结构连接中的优良特性日益受到结构设计人员的青睐，具有连接效率高、结构轻、抗疲劳、密封性好等优点。
然而胶接设计也具有很大的挑战性，在结构强度计算中，胶接连接接头部位一般为危险部位，需要重点校核。
所以，对复合材料胶接接头的设计分析是十分必要的。
本选题利用成熟的有限元商用软件ABAQUS，使用XFEM（扩展有限元法）对胶层和复合材料层的应力场等进行分析。
通过分析计算这些应力，同时应用相应的失效准则，进而可预测初始裂纹的扩展与否及扩展的长度，为胶接接头设计的选择提供必要的依据。
在文章中，讨论了胶接长度、胶层厚度和初始裂纹的位置对裂纹扩展的影响。
通过对仿真结果的分析，提出了减小胶接长度和胶层厚度的观点，指出裂纹易于产生及扩展的区域，对胶接接头的设计进行了优化。
胶接接头的优化设计对拓宽复合材料在飞机结构上的应用范围，进一步减轻结构重量、提高疲劳性能和降低制造成本具有重要的工程使用价值。
关键词:复合材料板胶接接头扩展有限元裂纹扩展AbstractThe joint methods of composite structure contain cementing and mechanical connection.. With the use of composite in the field of aviation increased a lot in recent years for its high strength and lightness, the cementing is increasingly favored by the structure design staff for its excellent characteristics in the connection field of composite structure. The characteristics are high ligation efficiency, light structure, antifatigue and good sealing. However, glued design also has a great challenge. In the structural strength calculations, glued joints are generally connected to dangerous parts and need to focus on checking. Therefore, the design and analysis of composite bonded joint is very necessary.The topic use the sophisticated and commercial software -ABAQUS, in the field of finite element, and use XFEM ( extended finite element method ) as the foundation to analysis the stress field of bonding layers and composite layers. By analyzing and calculating these stresses, while applying the appropriate failure criterion, we can predict the initial crack extension and the length of the expansion. In this way, it can provide the necessary basis for the design of bonding joints. In the article, we discussed the impact of the bonding length, layer thickness and initial crack location on crack propagation. Through the analysis of simulation results, we presented two standpoints of reducing the length of bonding joint and the thickness of adhesive. Besides, we pointed the areas where cracks are easy to generate and expand. Optimal design of adhesive joints in composite materials has important engineering value to broaden the scope of application of the aircraft structure and further reduce the structural weight, improve the performance of fatigue and reduce manufacturing costs.Keywords:Composite plates, Adhesive joints, XFEM, Crack extension目录摘要 (I)Abstract ....................................................... I I 目录.......................................................... I II 第一章引言.. (1)1.1导言 (1)1.2胶接连接 (2)1.2.1 简介 (2)1.2.2胶接连接应当注意的问题 (3)1.2.3胶接连接研究现状 (3)1.3 胶接接头 (4)1.3.1胶接接头简介 (4)1.3.2胶接接头的基本形式 (5)1.3.3胶接接头的破坏模式 (6)1.3.4胶接接头处可能出现的裂纹及其影响 (7)第二章复合材料损伤和胶接连接的力学模型 (8)2.1导言 (8)2.2复合材料层板强度预测 (8)2.3复合材料和胶层断裂准则 (10)第三章利用ABAQUS建立复合材料胶接接的有限元模型 (13)3.1扩展有限元方法和工程软件ABAQUS简介 (13)3.1.1传统有限元方法 (13)3.1.2扩展有限元方法及基本原理 (14)3.1.3ABAQUS简介 (15)3.2利用ABAQUS建立复合材料板胶接模型的过程 (16)3.2.1几何模型的建立和约束条件 (16)3.2.2材料属性 (17)3.2.3定义接触 (19)3.2.4 对于XFEM定义 (19)第四章基于裂纹扩展分析的单面搭接接头设计 (21)4.1复合材料胶接接头在纵向载荷下的受力分析 (21)4.2不同搭接长度下胶接接头的裂纹扩展情况 (23)4.2.1搭接长度为15mm的情况 (23)4.2.2搭接长度为10mm的情况 (25)4.2.3搭接长度为20mm的情况 (26)4.2.4不同搭接长度下裂纹情况的对比及结论 (28)4.3不同胶层厚度下胶接接头的裂纹扩展情况 (29)4.3.1胶层厚度为0.1mm的情况 (29)4.3.2胶层厚度为0.2mm的情况 (31)4.3.3胶层厚度为0.3mm的情况 (33)4.3.4不同胶层厚度下裂纹情况的对比及结论 (34)带五章基于裂纹扩展的斜面搭接接头设计 (37)5.1斜面搭接接头在纵向载荷下的受力分析 (37)5.2不同裂纹位置下胶接接头的裂纹扩展情况 (38)5.2.1选取的三种不同裂纹位置 (39)5.2.2裂纹的扩展情况 (40)5.2.3三种情况对比及结论 (42)5.3单面搭接和斜面搭接情况的对比 (43)第六章全文总结及展望 (46)6.1全文总结 (46)6.2展望 (47)致谢辞 (49)参考文献 (50)第一章引言1.1导言复合材料作为一种新材料，在最近的半个多世纪中飞速发展，由于复合材料采用纤维加强结构，使得复合材料具有比重小、比强度和比模量大的特点，并且由于采用的是铺层结构，制造过程简单，容易成型。
单搭接接头承载能力与搭接长度关系定量描述
关系，并用实验结果验证了其合理性。作者运用有 限元分析量化长度对单搭接强度的影响，给出了承 载能力与搭接长度的近似关系式，对研究各种综合 因素影响下接头承载能力与各因素关系的定量描述 有一定的借鉴意义。
ｌ 计算模型与材料性能
亚当斯ＲＤ等用有限元分析了“胶瘤”对单搭接 接头承载能力的影响【４］，郑小玲通过实验验证了“胶 瘤”对单搭接接头承载能力影响的存在【３Ｊ３。因此本 文在有限元分析中采用带有“胶瘤”的搭接形式，其 ＦＥＭ模型示意图见图１。其中Ａ为接头搭接长度， Ｂ为夹持部位与接头之间的距离，￡为被粘物总长 度，，为施加的载荷。本文中“胶瘤”与被粘物呈４５ 长夹角，被粘物厚度为２ Ｆｉｌｍ，胶层厚度为０．１２ ｍｍ。 假设接头宽度方向应力分布均匀，胶接界面没有缺 陷。所建立的ＦＥＭ模型中有被粘物和胶粘剂两种 材料，它们的力学性能分别为：
０
０．２５６ ０．５１２ ０．７６８ １．０２４ １．２８
Ｂｏｎｄｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ／×ｌＯ！
１．５３６
图３（ｃ）搭接长度１２．５ ｍｍ
Ｆｉｇ．３（ｃ）１２．５ ｉｎｔｏ ｌａｐ ｌｅｎｇＩ｝Ｉ
（ｘ１０”４）
３３１６．４４６ ３０００．６９６ ２６８４．９４１
是２３６９．１８６ ８ ２０５３．４３１ 茜１７３７．６７６
相当长度的水平线，即应力均匀分布带，应力集中程 度增大的趋势放缓，接头承载能力主要由这一均匀 分布带承担；故随着接头长度的增加接头单位长度 承找能力有微小增长，承载能力几成线性增加。
仔细观察图２，发现图２中曲线的形状类似与 公式（４）所形成曲线的一部分。
石＝ｋ（Ｙ—ｍ）２＋ｎ；
（４）
ｂｏｎｄｉｎｇ １ｅｎｇｔｈ］“ 图２有限元计算的承载能力与搭接长度的关系曲线
欢迎访问第1论文网焊点间距对胶焊接头应力应变分布和强度的影响.
欢迎访问第1论文网焊点间距对胶焊接头应力应变分布和强度的影响欢迎访问第1论文网胶焊是将电阻点焊（或凸焊）技术与胶接相结合的复合连接技术［1］，在航空、航天和汽车工业中得到了广泛应用。
如一种运输机的机身、口盖、油箱及一种低空支援战斗机的许多部分都采用了胶焊工艺［2］；我国在这方面的研究和开发工作也已取得进展［3］。
对胶焊结构力学行为的研究，已得到了国内外学者的广泛关注。
已有不少关于单焊点胶焊搭接接头的试验及数值分析工作［4,5］，而对多焊点结构中焊点间距对结构力学行为影响，尚很少有研究的报道。
焊点间距是胶焊结构设计和制造中一个重要的几何参数，合理的焊点间距的选取，可使焊接结构同时满足对生产>'/jingjilunwen/' target='_blank'class='infotextkey'>经济性和使用可靠性的要求。
为此，本文拟采用有限元数值分析方法和试验研究方法，对单列多焊点胶焊接头进行研究，考察采用两种不同弹性模量的胶粘剂时，焊点间距对接头中应力应变场和断裂强度的影响规律。
1接头的形状尺寸与有限元网格划分1.1接头的形状尺寸单列多焊点胶焊搭接接头的外形尺寸如图1所示。
试件两端承受均匀拉伸剪切载荷。
母材为08Al汽车用深冲钢板，宽40mm，厚1mm。
为同时考察胶粘剂弹性模量对接头中应力应变分布的影响，采用了高弹性模量的环氧树脂基胶粘剂和低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂，胶层厚度为0.4mm。
接头搭接区长度为40mm，直径5mm的焊点沿Y向等距离排列。
本研究选取焊点间距a为10mm, 20mm, 30mm, 40mm和50mm五种，研究两种胶焊接头中的应力应变分布。
图1单列多焊点胶焊试件的形状和尺寸(mm)1.2接头的有限元网格划分对图1所示的多焊点胶焊接头，当试件Y向很长时，在均匀的拉伸剪切作用下，接头中各焊点受力情况相同，同时由于某一焊点关于X方向的直线对称，所以只需考虑其中的一半即可。
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随着材料科学的不断进步和物理学的深入研究，材料特性对胶接接头应力分布和弯矩因子的影响开始引起人们的注意。
由于胶接接头的应力分布和弯矩因子是决定胶接接头性能的主要因素，因此对其进行有限元分析的研究具有重要意义。
胶接接头的应力分布是指在不同载荷作用下，胶接接头内部发生的应力分布情况。
胶接接头的弯矩因子表示的是接头受到实际应力时，产生弯曲效应的程度。
材料特性对这两个因素的影响主要表现在两个方面：材料本身的物理性质和接头的几何形状。
首先，材料本身的物理性质对胶接接头的应力分布和弯矩因子具有重要影响。
材料的弹性模量和剪切模量是影响胶接接头应力分布和弯矩因子的核心因素。
弹性模量越大，胶接接头的应力分布越均匀，弯矩因子越小，接头越容易受到外部载荷的影响。
剪切模量越小，则发生剪切变形的可能性越大，剪切应力也越大。
因此，在胶接接头设计过程中，要充分考虑材料的弹性模量和剪切模量的影响，确保接头的性能表现符合预期。
其次，接头的几何形状也是影响胶接接头应力分布和弯矩因子的重要因素。
接头的截面形状、长度和厚度等因素都会影响接头的力学性能。
接头的强度和刚度与接头结构的形状紧密相关。
较小的接口宽度可以增强接头的强度，但也会增加接头的弯曲刚度。
较高的接口刚度可以增加接头的弯曲刚度，但也会降低接头的强度。
因此，针对不同的接头结构和所需的物理特性，需要采用不同类型和性质的胶水和材料组合，以实现最佳的胶接接头性能。
在胶接接头设计中，必须充分考虑材料特性和几何形状的影响，利用有限元分析工具对胶接接头的应力分布和弯矩因子进行分析和优化，以达到最佳的设计效果。
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。
焊接工艺对“T”形接头构件焊接应力分布的影响
- 40 -工 业 技 术１ 焊接应力的机理和产生原因焊接应力是在焊接结构过程中产生的内应力，按照实际的时间进行划分，可分为2种——焊接瞬时应力和焊接残余应力。
在焊接中，构件的焊接应力有着复杂性，并且不同构件存在的焊接应力也有明显差别。
在不同的温度场下，构件自身的力学、物理等性能也存在较大的差异，同时，不均匀温度场会多个因素变化，如焊接工艺等。
在相同温度条件下和不同的固定状态下，可能产生的变形情况有3种，分别是自由变形和不完全自由变形以及无任何变形，这是由于不同的固定状态，造成构件被热长度影响，生成的压应力不同，利用公式ΔL T /L 0=a （T 1-T 0）、E r =ΔL T /L 0=a （T 1-T 0）可计算出变形率，然后确定构件的焊接应力，并有针对性地采取消除措施。
导致焊接应力的原因有很多，概括起来主要有如下几种：一是焊缝尺寸与接头形式设计缺乏合理性。
构件间的搭接方式主要有坡口形式、接头间隙、焊缝余高等，如果焊缝尺寸过大，就会导致受热面积过大，使焊接完成后残余应力增加；二是焊缝数量及其分布不够科学。
焊缝疏密度不均、相互交叉、封闭性焊缝较多等，都会导致构件挠度变形及残余应力出现；三是焊接方式及其工艺参数选择不合理，没有根据构件自身材质、薄厚、形状、结构等进行选择；四是构件焊接顺序及设计不科学，不同的焊接顺序会导致焊接拘束度变化，进而影响焊接应力分布。
２ 焊接工艺对Ｔ形接头构件焊接应力分布的影响及消除对策２．１ Ｔ形接头焊接应力测试Q235B 钢板的塑性和韧性都很好，并且他们有很好的强度和冷弯性能，并且有着很好的焊接性，所以被普遍应用在建筑和路桥的制造中。
选用E4303焊条来焊接Q235B 钢，焊接时不需预热、控制道间温度和后热，焊接后的接头塑性和冲击韧性良好，也不需要进行热处理来改善组织。
使用HK-21三维应力分布磁测仪来测试焊接应力。
在T 形接头中，主要利用600 mm×100 mm×4 mm 与100 mm×50 mm×3 mm 的Q235B 钢板进行装配，如图1所示。
10-4 焊接接头应力分布
焊接接头工作应力分布
焊接接头工作应力分布
对接焊缝 • 对接焊缝的接头可采用卷边、平对接或加工成各种形式的坡口。
对接焊缝开坡口的目的，是为了确保接头的质量，同时也从经济 效益考虑。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过 程。通常必须考虑以下几个方面：
• 1）可焊到性或便于施焊； • 2）降低焊接材料的消耗量； • 3）坡口易加工； • 4）减少或控制焊接变形。
材质方面因素：焊接热循环所引起的组织变化、焊接材料引起的焊缝化学成 分的变化、焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。
焊接接头工作应力分布
二、焊接接头的不均匀性及其力学行为
㈠热影响区的力学性能
1.强度和塑性
焊接接头工作应力分布
2.韧性
焊接接头工作应力分布
㈡焊缝金属的力学性能
焊接接头工作应力分布
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焊接接头工作应力分布
角焊缝截面形状及其计算断面
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焊接接头工作应力分布
焊接接头工作应力分布
焊接接头工作应力分布
• 为了提高焊接效率、节约焊接材料、减小焊接变形，当板厚 大于13mm时，可以采用开坡口的角焊缝。在等强度条件下 ，坡口角焊缝的焊接材料消耗量仅为普通角焊缝的60% 。
焊接接头工作应力分布
焊接接头的类型
• 一、焊接接头的组成 • 二、焊缝的基本形式 • 三、焊接接头的基本形式
焊接接头工作应力分布
一、焊接接头的组成
焊接接头由焊缝金属、熔合区、热影响区、母材组成
对接接头的断面图
图2-1 熔焊焊接接头的组成 搭接接头的断面图
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第21卷第2期机 械 强 度V o l.21N o.2 1999年6月JOU RNAL O F M ECHAN I CAL STR EN GTH June1999搭接长度对胶焊接头应力分布的影响ΞEFFECT OF THE LAP L ENGTH ON STRESS D ISTR IBUT I ONIN W ELD B OND ED JO INTS常保华ΞΞ 史耀武(西安交通大学机械工程学院,西安710049) (北京工业大学材料科学与工程学院,北京100022)董仕节(湖北汽车工业学院材料科学工程系,十堰442002)C ha ng B a ohua(S chool of M echan ica l E ng ineering,X i′an J iaotong U n iversity,X i′an710049,Ch ina)S hi Ya ow u(S chool of M a teria ls S cience and E ng ineering,B eij ing P oly techn ic U n iversity,B eij ing100022,Ch ina)D ong S hijie(D ep a rt m en t of M a teria ls,H ubei A u to m obile Ind ustries Institu te,S h iy an442002,Ch ina) 摘要 采用三维弹塑性有限元方法,对采用酚醛树脂和丙烯酸酯两种结构胶粘剂的胶焊单搭接头,研究了其搭接长度对接头中应力分布的影响。
计算结果表明:酚醛树脂胶粘剂胶焊接头中,搭接区边缘应力值高于焊点边缘应力值;丙烯酸酯胶粘剂的胶焊接头中,焊点边缘应力远高于搭接区边缘应力。
搭接长度增大时,两种胶粘剂胶焊接头的搭接区内,焊点边缘和搭接区边缘处的峰应力值都减小。
增加搭接长度可以提高胶焊接头的强度。
关键词 胶焊 搭接长度 应力分布 数值分析 有限元法中图分类号 T G404 TH114Abstract Effect of the lap length on stress distribu ti on in w eldbonded j o in ts has been analysed num erically u sing th ree di m en si onal elastop lastic fin ite elem en t m ethod(FE M).T he j o in ts are m ade w ith tw o types of adhesives respec2 tively,one pheno lic resin w ith h igher elastic modu lu s and the o ther acrylic resin w ith low er elastic modu lu s.R esu lts from compu tati on show that:fo r the fo rm er j o in ts,there ex ist greater stresses at edge of the lap regi on than tho se at edge of the spo t w eld,and fo r the latter j o in ts,greater stresses are found at the spo t w eld edge.W ith the increase of the lap length,no t on ly stresses around the spo t w eld edge bu t also tho se at edge of the lap regi on decrease fo r bo th k inds of j o in ts.H ence,it is favo rab le fo r j o in t strength to increase the lap length of w eldbonded lap j o in ts.Key words weldbond i ng,lap length,stress d istr ibution,nu m er ica l ana lysis,f i n ite ele m en t m ethod1 引言胶焊技术是指在电阻点焊前或点焊完成后,在焊点周围的裂缝状间隙中加入胶粘剂的一种连接方法。
焊后加入胶粘剂的方法采用低粘度的胶粘剂,利用重力和毛细作用将间隙填满;膏状的胶粘剂在点焊前填加,在点焊过程中胶粘剂会被挤出电极正下方区域而形成焊点。
[1]胶焊接头的焊点和胶层共同承担载荷,其强度明显高于点焊接头。
另一方面,胶焊接头中胶粘剂的存在,使接头的抗腐蚀性能得到改善,疲劳强度大大提高,冲击韧度和振动阻尼增大;与胶接接头相比,胶焊接头的优点在于抗老化性能好、持久强度高,并能够抑制胶结层的连续蠕变,从而大大提高接头的蠕变强度。
[2～4]胶焊接头强度性能的提高,表明胶焊接头内部应力分布有所改善。
胶焊接头中应力分布的具体情况取决于焊核的横截面积和胶接面的面积、接头宽度与搭接长度及胶接刚度和胶接层厚度等因素。
研究这些因素对胶焊接头中应力分布的影响规律,对于选择材料、优化接头设计都有重要意义。
由于胶焊技术起步较晚,ΞΞΞ常保华,男,1973年8月生,汉族。
工学博士,1998年毕业于西安交通大学焊接研究所。
主要从事焊接结构力学性能及其强度的数值计算、汽车用胶焊工艺的开发、胶焊接头力学性能等方面的研究工作,已发表论文多篇。
19971219收到初稿,19980504收到修改稿。
这方面的研究工作还是初步的,尤其在胶焊接头的数学建模和数值分析领域还几乎是空白。
基于以上认识,本文采用三维弹塑性有限元分析方法,着重研究了搭接长度对胶焊接头中应力分布的影响规律。
2 计算模型和材料性能胶焊结构一般采取搭接形式,胶焊接头力学性能的评定通常采用单搭试件,因此选择图1所示的胶焊单搭试件进行分析。
试件两端承受均匀的拉伸剪切载荷。
由于该试件关于X 轴对称,所以只分析图1中的上半部分。
图1 胶焊搭接试件的形状和尺寸F ig 11 Shape and di m ensi on of a w eldbonded lap speci m en试件的有限元网格划分情况如图2所示。
采用三维8节点等参数砖块单元,上、下板和胶粘剂各分为两层,搭接区边缘和焊点边缘附近区域网格细分,最小尺寸0.15mm 。
网格中单元长、宽、高的比例符合有限元分析的精度要求,计算结果表明,采用这一有限元网格能够对胶焊接头的应力分布实现有效分析。
[5]改变搭接长度时,焊点边缘和搭接区边缘的网格尺寸大小保持不变。
(a )试件的整体有限元网格(a )Global FE m esh ofthe speci m en (b )焊点部分的有限元网格(b )FE m esh of the spo t w eld component图2 试件的有限元网格划分F ig 12 F inite elem ent m esh fo r the speci m en分析中不考虑电极压痕的影响;假定结构连接完好,结合面上不存在缺陷;由于热影响区较小,而且与熔核的力学性能相近,因此计算中熔核和热影响区采用相同的力学性能。
计算中所用材料的力学性能列于表1。
母材为08A l 钢板,考察了两种不同弹性模量的胶粘剂,即高弹性模量的酚醛酯胶粘剂和低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂,给出了材料的硬化模量E t ,用双线性应力应变曲线描述材料的弹—塑性性能。
利用A lgo r 弹塑性有限元分析程序,计算了外载P =5.4kN 下接头中的应力分布。
假定接头处于小变形状态,分析中考虑了材料非线性,不考虑几何非线性。
所有计算工作在I BM Pen tium 166个人计算机上完成。
表1 有限元分析中所用材料的力学性能Tab 11 M echan ical properties of mater i als used i n FE analysis材料 弹性模量E M Pa泊松比Μ屈服强度ΡY M Pa硬化模量E t M Pa 切变模量G GPa母材1900000.25160200076焊点2000000.20450180083.34酚醛树脂胶28750.42905001.06丙烯酸酯胶500.4540401.72×10-23 计算结果和讨论von 2M ises 屈服准则认为,当空间某点的有效应力达到材料的屈服强度时,该点便开始进入塑性状态。
有效应力Ρe 定义为Ρ2e =[(Ρx -Ρy )2+(Ρy -Ρz )2+(Ρz -Ρx )2+6(Σx y 2+Σy z 2+Σz x 2)]2 (1)式中Ρx 、Ρy 、Ρz 分别为某点x 、y 和z 方向上的正应力;Σx y 、Σy z 、Σz x 为某点的三个独立的切应力分量。
有效应力是研究金属材料塑性变形和断裂机理的主要力学参量之一,也可应用于各向同性的高分子材料,常采用有效应力来表征结构中的应力严重程度。
本文主要给出了搭接长度对有效应力Ρe 分布的影响规律。
在胶焊接头中,胶粘剂与母材的结合界面是薄弱环节,因此本文主要考察接头结合界面上的应力分布。
采用等参单元能计算出界面附近高斯积分点上的应力,为了获得界面上的应力,采用局部最小二乘法,将应力从高斯点外推到界面节点上,以获得每个节点上的确定值。
外推法会导致节点处的应力间断,网格的细分会减小单元间应力的间断值和局部应力边界条件的紊乱程度。
计算结果表明[5],采用上述有限元网格,已达到了合理的有限元理想化程度,对不同材料类型单元共有节点处的应力也能够获得较好的结果。
3.1 酚醛树脂胶粘剂胶焊接头的应力分布图3给出了采用酚醛树脂胶粘剂,搭接长度l =12mm ,20mm ,30mm ,40mm ,50mm 时,胶焊单搭接头搭接区中的应力分布情况。
图3a 为上方板(图1中)与胶粘剂结合界面x 方向的中心线上,应力在搭接长度方向上的分布;图3b 为界面上焊点右边缘和搭接区右边缘上应力随搭接长度变化的曲线。
由图3a 可知,对酚醛树脂胶焊接头,五种不同的搭接长度下,搭接区中应力分布趋势基本相同。
在各接011机 械 强 度1999年(a)搭接区中应力在x方向上的分布 (b)应力随搭接长度的变 (a)Stress distributi on along the lap length(b)V arying of stresses w ith the lap length图3 搭接长度不同时酚醛树脂胶粘剂胶焊接头中的应力分布F ig13 Stress distributi on in pheno lic resin adhesive w eldbondedj o ints w ith different lap length头中焊点的右边缘(x=2.5mm)和搭接区左右两边缘存在很明显的峰应力,搭接区右边缘的应力远远高于其左边缘处的应力。