树脂基复合材料单搭接胶接有限元模拟(共4页).doc
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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=0.343G1
6、3=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
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