鋁合金膠接對接接頭應(yīng)力分布的數(shù)值分析

譚宗柒 李燦燦 游 敏 葉惠軍

（三峽大學(xué) 機械與材料學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

膠接技術(shù)作為新興的連接技術(shù)具有比強度高等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域中.在建筑中使用膠接同樣可以保證建材的結(jié)構(gòu)強度，并且外觀優(yōu)美密封性好，利于材料的循環(huán)使用.接頭形式是對接接頭承載能力及形變的重要因素.目前對接接頭應(yīng)用及研究較少，且大多通過實驗的方法，但實驗法不便于測量接頭在負(fù)載作用下膠層內(nèi)部的應(yīng)力分布.分別討論在受到沿X軸正方向與負(fù)方向產(chǎn)生彎矩下鋁合金直端面對接膠接和斜端面對接膠接兩種模型中膠層應(yīng)力分布情況.通過ANSYS分析表明，在受彎矩的情況下與直端面相比斜端面承載性能相對較好.

1 仿真方案和參數(shù)設(shè)計

設(shè)計模型仿真方案及所受載荷如圖1所示.圖1（a）中被粘物體為鋁合金截面直徑為10mm的圓柱體，高為27.5mm.膠厚為0.2mm，長度為10mm.（b）、（c）中被粘物體的粘接面為斜面，其長邊為30 mm，短邊為25mm.這樣膠層為一個斜面，其與軸線的傾斜角度為63°，膠厚為0.2mm，長度約為11.18 mm.

材料屬性見表1［1］.

表1 材料屬性表

2 有限元模型的建立

建模選用的有限元單元類型為PLANE183，該單元利用二維單元選項模擬三維變形，并且對四邊形單元具有很好的融合性.

按照圖1仿真方案所示，在軟件中對3種模型的底端面均施加全約束.（a）和（b）兩種方案中，載荷沿X軸正方向施加在模型左上角的節(jié)點上；（c）方案中，載荷沿X軸的負(fù)方向同樣施加在模型左上角的節(jié)點上.載荷的大小均為100N.用直接頭網(wǎng)格模型來表示3種方案有限元模型的建立，劃分網(wǎng)格、施加約束和載荷，如圖3所示.

圖3 直接頭網(wǎng)格模型

從圖3可看出，F(xiàn)與膠層在同一個方向，并且有一定的偏心距，這樣載荷F對膠結(jié)層產(chǎn)生一個力矩的作用.本文研究膠層在力矩作用下的應(yīng)力分布情況.方案（b）與（c）的區(qū)別在于模型膠層為斜面，而所受力矩分別為順時針和逆時針，由于力矩方向的不同在斜面中產(chǎn)生的各個方向應(yīng)力分量會有不同.

在有限元軟件ANSYS中建立模型，求解后在后處理中用路徑命令流path，選擇膠層中間位置兩端為路徑的起點和終點.直接頭的路徑與X軸平行，斜接頭的路徑與X軸有一定的夾角，角度為63°.

3 結(jié)果與討論

通過在ANSYS后處理中設(shè)置的路徑，3種方案中膠層的X、Y、XY方向的應(yīng)力及第一主應(yīng)力S1和平均應(yīng)力Seqv.其應(yīng)力分布如圖4～8所示.

圖4 X方向應(yīng)力分布

圖4為膠層在X方向的應(yīng)力分布情況.由曲線分布可以看出膠層在負(fù)載的作用下產(chǎn)生了正負(fù)雙向的應(yīng)力.直端面在正方向上的最大應(yīng)力為60MPa，負(fù)方向上的最大應(yīng)力也為60MPa；起點處的應(yīng)力與終點的應(yīng)力在X方向均為20MPa.斜端面在正方向上的最大應(yīng)力為37MPa，負(fù)方向上的最大應(yīng)力約為41 MPa；起點處的應(yīng)力與終點處在X方向的應(yīng)力均為10MPa，但方向相反.

在這兩種方案中，膠層X方向的應(yīng)力分布情況一致，在膠層兩端應(yīng)力的變化較大，在同一起始端位置處上升到極值，中間過程幾乎為分段線性變化.從圖中可看出斜端面的應(yīng)力普遍比直端面的應(yīng)力要小.

圖5 Y方向應(yīng)力分布

圖5為膠層在Y方向應(yīng)力分布情況.膠層在負(fù)載的作用下產(chǎn)生了同樣正負(fù)雙向的載荷.直端面在正方向上的最大應(yīng)力為135MPa，負(fù)方向上的最大應(yīng)力也為135MPa；起點處的應(yīng)力與終點的應(yīng)力在Y方向均為125MPa.斜端面在正方向上的最大應(yīng)力為122 MPa，負(fù)方向上的最大應(yīng)力約為111MPa；起點處在Y方向的應(yīng)力約為112MPa，終點處的應(yīng)力約為102 MPa，方向相反.

在這兩種方案中，膠層Y方向的應(yīng)力分布情況一致，兩種情況起始端的同一位置處上升到應(yīng)力最大值，中間段幾乎為分段線性變化.從圖中曲線可以看出斜端面的應(yīng)力普遍比直端面的應(yīng)力要低.

圖6 XY方向應(yīng)力分布

圖6為膠層在XY方向應(yīng)力分布情況.直端面產(chǎn)生的應(yīng)力都在正方向區(qū)間，起始兩端應(yīng)力較小，最大應(yīng)力分布在3～7mm區(qū)間.應(yīng)力分布幾乎關(guān)于x＝5mm對稱，但在終點處應(yīng)力下降較快.最大應(yīng)力約為13.5MPa；最小應(yīng)力約為2MPa.而斜端面膠層在0～2mm區(qū)間產(chǎn)生了負(fù)方向的應(yīng)力，最大應(yīng)力約為6MPa，正方向最大應(yīng)力出現(xiàn)在9mm處，約為12 MPa.起點處在XY合力方向的應(yīng)力約為4MPa，方向是負(fù)方向；終點處為正方向的應(yīng)力約為5MPa，在膠層兩端應(yīng)力波動較大.在1～7.5mm區(qū)間中，斜端面的應(yīng)力明顯低于直端面的應(yīng)力.

圖7 第一主應(yīng)力分布

圖7為膠層第一主應(yīng)力分布情況.直端面與斜端面產(chǎn)生的應(yīng)力均在正方向區(qū)間.直端面起始端應(yīng)力為125MPa，最大應(yīng)力在0.4mm 處，為135MPa.在0.4～5.6mm應(yīng)力幾乎為分段線性變化，5.6mm 之后應(yīng)力為0.當(dāng)斜端面膠接受到正方向載荷時，其應(yīng)力分布與直端面相似，起始點應(yīng)力為113MPa，最大應(yīng)力在0.4mm處，為122MPa.

而斜端面膠接受到負(fù)方向載荷時，0～4mm區(qū)間應(yīng)力值為0，從4mm開始應(yīng)力幾乎為分段線性變化，在10.7mm處有最大應(yīng)力約為113MPa，終點處應(yīng)力約為103MPa.

圖8 膠層平均應(yīng)力分布

圖8為膠層平均應(yīng)力分布情況.直端面與斜端面產(chǎn)生的應(yīng)力同樣均在正方向區(qū)間.直端面起始端應(yīng)力為116.6MPa，最大應(yīng)力在0.4mm 處，為118MPa，0.4～3mm區(qū)間應(yīng)力成線性變化，3～7mm區(qū)間應(yīng)力成拋物線規(guī)律變化，開口向上.曲線幾乎關(guān)于x＝5 mm對稱.最小應(yīng)力為23.5MPa.在始終兩端，應(yīng)力的波動較大，表明由于膠層受到塑性變形使得應(yīng)力分布情況較復(fù)雜.

斜端面膠層平均應(yīng)力分布情況與直端面膠層相似.起始端應(yīng)力為109MPa，最大應(yīng)力在0.4mm處，為110MPa，0.4～3mm區(qū)間應(yīng)力成線性變化，3～9 mm區(qū)間應(yīng)力成拋物線規(guī)律變化，開口向上.后面幾乎為線性變化.最小應(yīng)力為19.8MPa.在3～5mm區(qū)間斜端面應(yīng)力高于直端面，其他區(qū)間應(yīng)力均低于直端面.

4 結(jié) 論

（1）通過以上仿真結(jié)果的分析，膠層在受到力矩作用下，兩端部分受到彈性與塑性變形的綜合作用下應(yīng)力大小有一定的波動；中間段應(yīng)力分布有一定的規(guī)律.由第一主應(yīng)力和平均應(yīng)力來看，斜端面的峰值應(yīng)力比直端面略小20MPa和10MPa.

（2）由圖4～8可以看出，膠結(jié)接頭的形式只對XY應(yīng)力分布規(guī)律產(chǎn)生了影響，對其他各個方向上的應(yīng)力分布規(guī)律沒有產(chǎn)生作用.而在斜端面接頭中，力矩的作用只對第一主應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響，原因是第一主應(yīng)力為膠層的劈裂力，端面被拉部分產(chǎn)生劈裂作用，表現(xiàn)出來第一主應(yīng)力，而被壓部分則不產(chǎn)生第一主應(yīng)力.

［1］游 敏，羅 威.基于ANSYS／PDS的鋁合金同軸膠接接頭可靠性分析［J］.中國膠粘劑，2009，18（12）:1－4.