树脂基复合材料单搭接胶接有限元模拟(共4页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上树脂基复合材料单搭接胶接有限元模拟 祁发强，严科飞，张鹏飞，王锴，张泽茹（中国航天科工集团第六研究院，内蒙古红岗机械有限公司，）摘 要：采用有限元方法以及试验的方法分析了有无垫板，垫板长度以及搭接长度对胶接试样胶接区域应力分布的影响。结果表明：有无垫板，垫板长度以及搭接长度对胶接试样搭接区域内的应力分布影响非常明显，并且随着垫板长度的增加以及搭接长度的增加，搭接区域内的应力的分布趋于均匀化，且粘接区域两端应力集中现象有所减小，其粘接强度也随之增大。关键词：有限元 试验 胶接 垫板 粘接强度专心-专注-专业引言胶接结构由于其具有零件数目少、重量轻、连接效率高，抗疲劳、密封、减振及绝缘性良好等特点，在航空航天领域取得了广泛的应用，成为重要的连接结构形式之一。胶接结构的强度研究也一直是关注的焦点之一，在实际工程应用中，其强度除取决于被粘物和胶黏剂自身的力学特性外，还受到被粘物、胶层及搭接尺寸的影响。研究这些因素对胶接接头强度的影响规律，对选择材料、优化接头设计都有重要意义。宋冬利1研究了接头形式对胶接强度的影响，得到了不同接头形式下的应力分布情况，李刚2等研究了钢板和铝合金板胶接接头的应力集中情况，曹平心3通过分析，给出了单搭接接头承载能力与搭接长度的关系曲线，郭霞4等利用有限元软件模拟了搭接长度对复合材料单搭接胶接接头的影响。本文采用有限元的方法，分析了有无垫板，垫板长度以及搭接长度等几何尺寸对胶接结构粘接区域部位应力分布的影响，为合理设计接头提供依据。这与胶接结构件的使用寿命、耐久性、安全性等问题密切相关。1 有限元分析1.1 模型尺寸本文采用有限元建模分析单搭接模型在拉伸载荷作用下的应力分布。参照ASTMDl0020l standaTest Method for Apparent Shear Strength of Sinde-Lap-J0int Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading(Metalto-Metal)和GBT 71242008胶黏剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)，本文选择试件的几何尺寸如图1及图2所示：图1 未添加垫板试样示意图图2 添加垫板试样示意图试样板厚度为3mm，粘接剂厚度为0.5mm；图1及图2中各尺寸如表1：表1 试样尺寸项目长度(mm)试样板长度L1100垫板长度L250/70/82.5试样宽度H25夹持长度C37.5搭接长度D10/12.5/151.2 边界条件根据实际拉伸试验，对于未添加垫板试样，固定夹持端限制其全部位移，而荷载施加端在夹持时，由于试样两端与试验机夹具不在同一平面内，造成了在夹具夹紧时，会迫使荷载施加端跟随夹具一起靠向试验机夹具中面并最终于另一端处于同一平面内，所以荷载施加端存在初始的Y方向位移A，位移量大小为试样板厚度与粘接剂厚度之和，本文中，该位移为3.5mm。未添加垫板试样边界条件如图3所示：图3 未添加垫板试样边界条件示意图 对于添加垫板试样，垫板的存在使得试样两端于夹具处于同一平面内，所以在夹持过程中，不会出现试样偏移的现象。添加垫板试样边界条件如图4所示：图4 添加垫板试样边界条件示意图1.3 材料属性基于软件，假定结构连接完好，结合面上不存在缺陷。用线性应力应变曲线描述材料的弹塑性性能。计算中所用材料力学性能见表2。表2 试样力学性能参数弹性模量E(GPa)泊松比剪切模量G(GPa)C/Epoxy E11=139.312=0.037G12=5.58E22=15.0513=0.343G13=5.58E33=15.0523=0.343G23=5.6粘接胶10.391.4 网格划分试样整体符合力学平面应变问题的条件，选择试样中面进行有限元建立，采用PLANE42单元，关键项选择平面应变选项。有限元模型建立后粘接部位网格如图5所示。图5 粘接部位网格2 计算结果利用有限元软件ANSYS，分别对有无垫板，垫板长度以及搭接长度等几何尺寸对胶接结构粘接区域部位应力分布的影响进行了研究分析，并结合试验，对有限元分析进行了验证。垫板长度及搭接长度如表1。图6 垫板对试样搭接区域剥离应力分布的影响图7 垫板对试样搭接区域剪切应力分布的影响 未添加垫板试样和添加垫板试样搭接区域内的剥离应力和剪切应力的应力分布如图6和图7所示。从图中可以看出，两种试样的搭接区域内部的剥离应力和剪切应力分布是极其不均匀的，均存在应力集中。未添加垫板试样在试验机上安装过程中，试样的夹持部位会存在初始位移，从而导致试样搭接区域在未施加拉伸荷载时产生弯曲而存在剥离应力和剪切应力，使得其应力数值较为偏大。图8 垫板长度对搭接区域内剥离应力的影响图9 垫板长度对搭接区域内剪切应力的影响图8和图9分别为添加50mm、70mm和82.5mm三种端部垫板长度试样搭接区域内的剥离应力和剪切应力分布图。从图中可以看出，端部垫板长度对试样搭接区域内的应力分布影响十分明显，添加的端部垫板越短，试样搭接区域内的应力集中程度越大；添加的端部垫板越长，试样搭接区域内的应力集中程度越小，应力分布相对较为平滑。图10 搭接长度对搭接区域内剥离应力的影响图11 搭接长度对搭接区域内剪切应力的影响图10和图11分别为搭接长度为10mm、12.5mm和15mm试样搭接区域内的剥离应力和剪切应力的应力分布图。从图中可以看出，搭接区域长度越短，试样搭接区域内的应力集中程度越大；搭接区域越长，试样搭接区域内的应力集中程度越小，应力分布相对较为平滑。3 试验结果 为了对有限元结果进行验证，采用美国汉森（HEXION）公司Adhesive EPIKOTETM MGS BPR 135G叶片专用环氧结构胶进行了试验,试验结果如下：图12 端部垫板对拉伸剪切强度的影响图12中的试验结果表明：在加垫板的试验条件下的拉伸剪切强度均大于其在未加垫板试验条件下的拉伸剪切强度。这是由于未添加垫板试样由于在夹紧过程中粘接区域受到弯曲变形的影响，使得其存在初始应力，从而使得其强度值有所降低。图13 垫板长度对拉伸剪切强度的影响 图13中的试验结果表明：试样的拉伸剪切强度均随着端部垫板长度的增加而逐渐增大。这主要是由于拉伸试验机的两个夹具在一条直线上，对于加垫板试样因其几何反对称结构，导致试样搭接区域在拉伸过程中受到弯矩的作用，端部垫板越长受附加弯矩的作用越小，搭接区域内的应力集中程度越小，因此随着端部垫板的长度增大，拉伸剪切强度呈增大趋势。图14 搭接长度对拉伸剪切强度的影响图14中的试验结果表明：搭接长度对拉伸剪切强度影响也很明显，拉伸剪切强度随着搭接长度的增大而增大。这主要是因为试样在受到拉伸载荷后，首先在试样搭接区域根部的高应力区形成裂纹，随着施加载荷的增大，裂纹迅速扩展到低应力段，直至粘接失效。因此随着搭接长度的增大，应力集中程度逐渐降低，表现为拉伸剪切强度随着搭接长度的增大而增大。4 结论通过有限元分析及试验验证，可得到如下的结论：1）端部添加垫板试样的拉伸剪切强度值明显高于未添加试样的强度，这是由于通过添加垫板的方式能够减小在试样夹紧过程中夹头对粘接区域的弯曲作用影响，从而能够提高试验的破坏荷载值，粘接强度值也得到的提高。2）试样拉伸剪切强度值随着端部垫板长度的增加而增大，这是由于试样具有反对称结构，在加载过程中使得粘接区域产生弯矩作用，从而使得粘接区域产生弯曲变形，产生了附加应力，降低了试样的试验强度值，而随着垫板长度的增加，这种附加弯曲变形的效应逐渐减小，使得粘接强度值能够得到提高。3）试样拉伸剪切强度值随着试样搭接长度的增加而增大，这是由于随着搭接长度的增加，试样粘接面积也随之增大，使得粘接区域内的应力分布趋于均匀化，局部应力集中现象也相应得到改善，从而能够使试样的粘接强度值得到一定的提高。参考文献1 宋冬利,李赫亮,李智超.接头形式对胶接强度的影响J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,19(4): 426-429.2 李刚,林建平等.钢板与铝合金板胶接接头力学性能的有限元分析J.计算机辅助工程,2007(3):107一109.3 曹平,游敏.单搭接接头承载能力与搭接长度关系定量描述J.化学与粘合,2004(6):303333.4 郭霞,关志东等.搭接长度对复合材料单搭接胶接接头的影响J.科技导报,2013,31(7):3741.5 益小苏,杜善义,张立同.复合材料手册,第8章M.北京:化学工业出版社.6 游敏,郑小玲.连接结构分析M.武汉:华中科技大学出版社, 2004.6.7 杜善义:先进复合材料与航空航天J;复合材料学报,2007,24(1):1-12.8 陈列民,杨宝宁;复合材料的力学分析M.北京:中国科学技术出版社,2006.9.9 ASTM D3165-00, Standard test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading of Single-Lap-Joint Laminated AssembliesS.10 GB/T 7124-2008, 胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)S.