（机械制造及其自动化专业论文）环境对汽车用钢板胶接接头力学性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 在实际生产中胶粘剂受环境因素的影响较大，如环境的湿度，胶粘剂容易 吸收环境中的水分，在固化过程中水分汽化形成了大量的孔穴。孔穴的存在势 必减小接头的有效搭接面积和引起应力集中，导致胶接接头承载能力的下降。 环氧树脂胶粘剂中的有机大分子在固化过程中的挥发和胶粘剂在固化过程中的 热胀冷缩将导致胶接接头中形成大量不规则的孔穴。这些孔穴被视为缺陷，应 予以控制。因此，研究孔穴对胶接接头强度和应力分布的影响，对胶接工艺在 汽车工业中的应用具有十分重要的意义。而在实际的生产应用中，合理的设计 胶接工艺尺寸参数，研究孔洞和间隙对胶接接头力学性能的影响规律，对提高 胶粘剂的利用效率和降低成本有实际意义。 本文以镀锌高强度钢板和环氧树脂胶粘剂为研究对象，采用有限元数值模 拟和实验研究相结合的方法，对含间隙和孔洞的胶接接头力学性能和应力分布 进行了研究。首先，分析了含孔穴胶接接头的断裂面，提取了三类模型：含横 向间隙胶接接头模型、含纵向问隙胶接接头模型和含孔洞胶接接头模型。研究 间隙和孔洞的大小、位置和数量对胶接接头力学性能的影响。其次，运用a n s y s 有限元软件分别建立了含横向问隙、纵向间隙和孔洞胶接接头的有限元模型， 分别数值模拟了间隙和孔洞的大小、位置和数量对胶层界面上剥离应力和剪切 应力分布的影响规律。再次，试验分析了横向间隙、纵向间隙和孔洞对胶接接 头强度的影响以及其规律性，验证了有限元仿真的合理性。最后，通过试验研 究了环氧树脂胶粘剂的吸水性与胶接接头空隙率的关系，总结了多孔洞胶接接 头空隙率与胶接接头强度的关系。对环境影响胶接接头力学性能的研究中需要 进一步深入的工作提出了展望。 关键词：胶接，间隙，孔洞，应力分布，有限元法 a b s t r a c t a b s t r a c t g i a n to r g a n i cm o l e c u l e si na d h e s i v ev o l a t i l i z ee a s i l yi np r o c e s so fc u r i n g ，w h i c h r e s u l t si nal o to fa p e r t u r ei na d h e s i v e a d h e s i v ec a i la b s o r bv a p o re a s i l yf r o m e n v i r o n m e n ta n ds t o r ew a t e r w h e na d h e s i v ei sc u r e d ，t h ew a t e rw i l le v a p o r a t e ，w h i c h a l s or e s u l t si nal o to fa p e r t u r ei na d h e s i v e e x i s t e n c eo fa p e r t u r el e a d st or e d u c t i o no f e f f e c t i v el a p p i n ga r e aa n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hr e s u l t si nr e d u c i n gc a r r y i n g c a p a c i t y f o rt h i sr e a s o n ，s t u d y i n go ne f f e c to fa p e r t u r eo ns t r e s sd i s t r i b u t i o na n d s t r e n g t ho fa d h e s i v e l yb o n d e dj o i n t si sm e a n i n g f u lf o ra p p l i c a t i o no fb o n d i n gi n a u t o m o b i l ei n d u s t r y t h i sp a p e rs t u d i e st h ea d h e s i v eb o n d i n gc a p a b i l i t yo fg a l v a n i z e dh i g hs t r e n g t h s t e e la n de p o x y - r e s i na d h e s i v e i nt h i sp a p e r , m e c h a n i c a la n a l y z i n g ，t e s ta n a l y z i n ga n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a f i a l y z i n ga r ec a r r i e do u tt oa n a l y z ee f f e c to fr e c e s s e d b o n d i n ga n dh o l e db o n d i n go ns t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds t r e n g t ho fa d h e s i v e l yb o n d e d j o i n t s f i s r t l y , w ea n a l y z e f r a c t u r e ds u r f a c eo fb o n d i n gj o i n ta n de s t a b l i s ht h r e e m o d e l s ：m o d e lo fb o n d i n gj o i n tw i t ht r a n s v e r s ea p e r t u r e ，m o d e lo fb o n d i n gj o i n tw i t h l e n g t h w a y sa p e r t u r ea n dm o d e lo fb o n d i n gj o i n tw i t hh o l e s e c o n d l y , a n s y si su s e d t oe s t a b l i s hf e mm o d e lo f b o n d i n gj o i n tw i t ht r a n s v e r s ea p e r t u r e ，l e n g t h w a y s a p e r t u r ea n dh o l ea n da n a l y z es t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n tl e n g t ha n dp o s i t i o no f a p e r t u r e t h i r d l y , t e s ta n a l y z i n gi su s e dt oa n a l y z es t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n t l e n g t ha n dp o s i t i o no fa p e r t u r ea n dh o l e ，w h i c hp r o v em e c h a n i c a la n a l y z i n g ，t e s t a n a l y z i n ga n df e ma n a l y z i n gt ob et r u e f o u r t h l y , t e s ta n a l y z i n gi su s e dt oa n a l y z e e f f e c t so fe n v i r o n m e n to ns t r e n g t ho fa d h e s i v e l yb o n d e dj o i n t s f i n a l l y , t h ed e e p r e s e a r c he x p e c t a t i o ni ne f f e c t so fe n v i r o n m e n to ns t r e n g t ho fa d h e s i v e l yb o n d e d j o i n t si sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a d h e s i v eb o n d i n g ，g a p ，h o l e ，s t r e s sd i s t r i b u t i o n ，f e m i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 9 j 一抄彳 2 口啊年3 月z j 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 1j 龄 z d 口年3 月2 了e l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着科学技术的不断进步和汽车工业现代化的迅猛发展，使用胶接技术在 车辆制造中将部件进行胶接已开始受到汽车制造业的关注和重视。胶接由于其 美观性、方便性和优越的机械力学性能而越来越多应用在汽车上。 胶接技术是通过胶粘剂与被连接件之间的化学反应或物理凝固等作用将材 料连接在一起的连接技术。胶接技术是产生最早的连接技术，现代高分子化学 的飞速发展及合成材料的大量涌现，为胶接这门古老的技术注入了新的活力。 用兽骨、大豆等制成的古老蛋白粘胶，已被各种各样的环氧树脂、聚酷树脂、 天然或合成橡胶等聚合物所代替n _ 1 ，大大扩展了胶接技术的应用范围。除了用 于结构连接外，胶接技术还可用于旧件修复、机械设备的密封等场合，也可用 来弥补某些加工工艺中存在的缺陷。胶接可用于各种类型的材料，包括金属和 陶瓷、玻璃、木材、塑料等各种非金属的连接，也可用于金属与非金属之间的 连接。 在实际的生产中，由于胶粘剂的化学变化、物理变化和环境等原因，胶接 接头中难免形成孔穴，孔穴的存在势必减小接头的有效搭接面积和引起应力集 中，导致胶接接头承载能力的下降。这些孔穴被视为缺陷，应予以控制。而在 实际的生产应用中，我们可以对胶接接头进行合理的工艺参数设计，在胶接接 头中预留一定的间隙或孔洞，以提高胶粘剂的的使用效率和降低生产成本。 由于实际生产是一定的环境下进行的，环境因素是客观存在的，所以我们 应该予以重视。环境因素主要包括空气，温度，湿度等。空气又包含：o n ：， c 0 ：，稀有气体等成分。n 2 ，c o ：对胶粘剂和被胶接材料的影响不大，而0 ：可以引 起被胶接材料( 如铝板，钢板等) 的氧化，从而使胶接材料表面组织改变，影 响胶接结构的可靠性与性能。灰尘覆盖被胶接材料表面会降低润湿效果，从而 影响胶接结构的可靠性与性能。但由于空气中的灰层的含量很少，在短期内不 会在钢板表面聚集很多，所以其对胶接力学性能的影响可以忽略不计。由于胶 接材料主要是高分子聚合物胶粘剂( 如双酚a 一环氧树脂，聚亚安酯加合物等) ， 对环境十分敏感7 1 。对胶粘剂的成分一环氧树脂的吸水研究比较多，环氧树脂 第l 章绪论 的吸水机理研究表明：水与高聚物表面接触时有三种相互作用：一是水分子与高 分子电负性强的氧原子形成氢键；二是水分子与疏水基团的相互作用；三是水 分子与亲水基团的相互作用啤9 j 。而胶粘剂及胶接结构的可靠性与性能在很大程 度上取决于胶粘剂及被胶接材料与环境的交互作用。因此研究影响胶接结构力 学性能的关键环境因素，找出其影响的规律性，对于胶接结构可靠性的提高有 重要指导作用。 1 2 胶接技术简介 1 2 1 胶接技术特点 胶接是指采用化学粘合材料( 胶粘剂) 实现联接、密封、固持的实用技术。 在工业上，胶接技术和焊接、铆接及螺栓连接等都是材料连接的工艺技术，但 胶接技术比焊接、铆接及螺栓连接技术更复杂，应用更广泛。它是- - f l 多学科 的边缘学科，是在高分子化学、有机化学、胶体化学和材料力学等多学科的基 础上发展起来的，随着其技术不断发展。 胶接技术是一种实用性很强的技术，除了简便，快速，高效等特点以外， 它还可以解决一些其他连接方式无法解决的问题。比如说，胶接技术能够连接 各种不同种类的材料，甚至两种性能相差很大的材料，如：金属与玻璃、陶瓷、 塑料、木材、橡胶或织物等。它为结构连接和设备维修开辟了一条崭新的道路。 因此胶接技术的应用领域同趋广泛，已成为航空、航天、机械、电器、交通、 建筑、轻工、纺织医疗行业不可缺少的专门技术之一，并进入了人们日常生活。 和焊接、铆接及螺栓连接技术相比较，胶接技术具有下面的优点： ( 1 ) 可以有效地应用于不同种类的金属或非金属之间的连接，这是焊接 难以做到的。 ( 2 ) 胶粘剂均匀地分布于胶接面，没有点焊、螺栓连接或铆接所存在的 应力集中问题。 ( 3 ) 胶接不同金属时还可以避免因接触电位差引起的腐蚀。 ( 4 ) 胶接工艺可以节省金属材料，胶接结构能有效地减轻汽车重量3 0 。 ( 5 ) 胶接件中的连接缝具有对水、空气或其它环境介质的优良密封性， 这是铆接和螺栓连接所不具备的。 ( 6 ) 胶接工艺生产效率高，胶接可以在几分钟或较长时间内完成，不需 2 第1 章绪论 要大型专用设备，操作简便，对工人的操作水平要求较低。据统计，在汽车装 配中，每采用1 吨胶粘剂，可节省5 0 0 0 1 0 0 0 0 个工时，因此，经济效果相当 可观。但同时，胶接工艺还存在以下缺点： ( 1 ) 局部粘结强度与焊接等冶会结合的联接方法相比数值较低，被胶接 面尺寸要求严格。 ( 2 )目前的胶粘剂大多属合成有机高分子物质，其耐高温、低温作用的 性能是很有限的，一般胶粘剂只能在一5 0 1 0 0 ( 2 的温度范围内正常工作。 ( 3 ) 在光、热、空气及其它因素的作用下，胶粘剂会产生老化现象，影响 使用寿命。 ( 4 ) 大部分胶粘剂属有毒物质，危害人体健康。 为了解决这些问题，人们想出各种办法，研制出各种各样适合不同的使用 场合的新胶，并把胶接和其他联结方式结合起来，出现了胶一焊、胶一铆、胶一螺 等各种联结方式。 由于胶接技术具有比其他联接形式更优越的性能，因此，在汽车生产上也 得到了日益广泛的应用。汽车生产中的车身结构、内饰材料、隔音、隔热材料、 座椅及刹车片等地方，均使用了胶接技术。其中以前用在航空、航天领域的点 胶焊技术在汽车车身制造中潜力是最大的，目前，国内外在此领域投入相当大 的关注。 由于胶接机理的复杂性，目前研究还不是很透彻，现在仍然没有一种能够 很好解释各种胶接现象的理论。所以，大部分研究只能通过实验的经验总结。 再加上其本身的一些缺点，限制了在汽车方面更为广泛的应用。 1 2 2 胶接机理川1 羽 胶接过程是一个比较复杂的物理、化学过程，是一种多学科综合的边缘学 科，到现在发展也不是很完善。以下先介绍一下胶接机理，这样我们才能更好 的理解胶接当中的一些现象和可能出现的现象，预测胶接过程中的一些影响因 素。 1 、机械结合 胶粘剂与被粘物的胶接力是机械结合力。胶接表面经涂胶后，由于胶粘剂 渗入被粘物的表面的孔隙内部，再经干燥固化，使胶粘剂与被粘物之间产生摩 擦力，增加了彼此之间的结合力。这种机械结合力的大小与被粘物表面的粗糙 度有关。 第1 章绪论 2 、互相扩散 高分子化合物之i b j 的胶接，是由于大分子本身或其链段通过热运动引起的 扩散作用，实质上是界面发生了互溶，从而使胶粘剂与被粘物分子交织在一起 而形成了牢固的结合。扩散速度与温度、压力有关。 3 、电荷引力 胶接强度来源于双电层中j 下负电荷之间的吸引力。这种吸引力与电荷密度 的平方成正比。电荷密度很大程度上受至0 胶粘剂和被粘物化学性能的影响。 4 、范德华力 胶接力的产生，首先是胶粘剂分子由于微布朗运动向被粘物移动；胶粘剂 的极性基团向被粘物的极性部位靠近，当靠近距离小到5 a 以下时，分子间就产 生了范德华力或氢键的结合，从而获得良好的胶接力。据此机理极性与极性 的材料容易胶接。非极性与非极性的材料亦易胶接；但极性与非极性的材料就 难于胶接。 5 、化学反应 胶粘剂与被粘物的界面产生化学交联反应，这种交联反应有氢键结合、配 位键结合、共价键结合。化学反应会受到胶接界面状况的影响。 以上介绍的这些胶接机理现在还不是很完善，都只能从某些方面解释和预 测一些胶接现象，值得我们去作深入的挖掘、完善。 1 2 3 胶接技术的基本工艺n 3 1 胶接技术虽然操作简便，但如果运用不当，很难达到预期的胶接强度，甚 至导致失败。影响胶接性能的因素很多，为了得到好的胶接性能，必须搞清楚 这个过程中各个影响因素，并加以控制。以下将总结一些对我们实验有用的已 有知识。 根据现有的理论和生产实践中的经验，国内一些研究人员建立了胶接工艺 质量控制模型，如图1 1 。 4 第1 章绪论 图1 1 胶接质量控制模型图 我们主要从接头设计和胶接工艺这两个方面来研究，希望从中找出胶接性 能的部分影响因素，以期为工业生产提供指导。 1 胶接工艺： 生产中，胶接的一般工艺过程如下： 确定胶接部位表面处理涂胶粘合一一固化一一胶接质量检 验。我们以此工艺流程为依据，逐步研究。 ( 1 ) 表面处理： 表面处理就是用机械、物理、化学等方法清洁、粗糙、活化被粘物表面， 以利于胶粘剂良好润湿，牢固胶粘。被胶接材料的表面处理是整个胶接过程中 的重要工序，也是胶接成败的关键。表面处理包括：表面清洁、表面粗糙化和 第1 章绪论 表面活化处理。 胶粘剂对被粘物表面的润湿性和界面的分子间作用力( 即粘附力) 是获得牢 固胶接接头的主要因素，而表面的性质则与上面的两方面因素直接有关。通常 由于胶接件( 或修复件) 在加工、运输、保管过程中，表面受到不同程度的污染， 常有锈蚀、油脂、灰尘等，这些附着物阻碍了胶粘剂对表面的润湿，减少胶粘 剂和被粘物的相互接触，从而直接影响了胶接强度。同时，有些被粘物是亲水 性的，在空气中存放吸附了一层水膜，这层水膜不除去而存在于胶层与被粘物 之间，也会大大降低胶接接头的强度。采用溶剂脱脂和砂纸打磨的方法可以去 除表面的污染物。 一般情况下，对表面进行适当的粗糙化处理，可以增大被胶接件的胶接面 积和增加机械结合力，同时，通过打磨可以除掉表面的氧化层，活化被粘物表 面，使胶粘剂易于和被粘物形成化学键结合，从而大大提高胶接强度。但是， 粗糙度又不能超过一定的界限，表面太粗糙反而会降低粘接强度，因为过于粗 糙的表面不能被胶粘剂很好地浸润，凹处残留的空隙减小了实际粘接角面积， 因而对粘接是不利的。图2 中描述的是胶接强度随着粗糙度的增大而变化。通 过砂纸打磨的方法可以适当的使表面粗糙化。 省 生 。l i p 罄 授- 颦 苍” i t l，扎5 埘人秕憾瓜( 姗) 图1 2 表面粗糙度对胶接强度的影响 有时候，为了得到活化的表面，以利于胶粘剂和被粘物之间的化学反应和 互相扩散，需要进行化学处理。 ( 2 ) 涂敷方法： 所谓涂敷就是以适当的方法和工具将胶粘剂涂布在被粘物表面。胶粘剂的 涂敷方法有刷涂、浸涂、喷涂和刮涂等，根据胶粘剂的使用目的、胶粘剂的粘 度、被粘物的性质可选用不同的涂胶方法。涂敷操作正确与否，对粘接质量也 有很大影响。 胶粘剂涂敷的难易与其粘度的大小有很大关系，对于无溶剂胶粘剂如果本 身粘度太大，或因温度低变得粘稠而造成涂布困难，可将被粘物表面预热至4 0 6 第l 章绪论 5 0 或者对胶粘剂进行预热，使胶粘剂粘度降低，易于浸润被粘物表面。 被粘物表面容易吸附空气，为了防止包裹空气而使胶层中形成气泡或气孔， 涂胶应朝一个方向移动。涂胶速度不能太快，以利于空气排出。 胶层要均匀，由于在粘合过程中有挤压，会从缝隙中挤出来一部分胶，涂 胶要比设计的稍微厚一些。热固性胶粘剂，涂胶后要立即粘合，以避免长时间 放置吸收空气中的水分或使固化剂挥发。 ( 3 ) 粘合 粘合是将涂胶后或经过适当晾置的被粘表面叠合在一起的过程。对于不含 溶剂的反应型胶粘剂，涂胶后应立即粘合，以避免胶液粘度增大，浸润性差， 反而降低粘接强度，粘合后以挤出微量胶液为好，表示不缺胶；对于溶剂型胶 粘剂，涂敷以后要进行一段时间的晾晒，然后粘合。 ( 4 ) 固化 固化即是胶粘剂通过溶剂挥发，熔体冷却、胶液凝聚等物理作用，或缩聚、 加聚、交联等化学反应，使其变为固体，并具有一定强度的过程。 在固化过程中，温度、压力、时间是固化工艺的三个重要参数，每一个参 数的变化都对胶接性能有直接影响。 ( 1 ) 适当地提高温度会加速固化过程，减少内应力，从而提高粘接强度。 ( 2 ) 在固化过程中对胶粘剂施加一定的压力，不仅能提高胶粘剂的流动 性，易润湿、渗透和扩散，而且可以保证胶层与被粘物紧密接触，防止气孔、 空洞和分离，还会使胶层厚度更为均匀。加压应在基本凝胶后施压，固化时间 必须按说明要求给予保证，才能固化完全，保证质量。 ( 3 ) 任何胶接固化都需要一定的时间，如果固化时间不足，胶层就不能 完全凝固。一般随固化时间的增加胶接强度也增加，但是有一极限值。升高温 度可以缩短固化时间；如果固化温度不够，固化时间再长也不能使之固化。 2 胶接接头方面： 胶粘接头要尽量设计的合理，均匀，不要使应力集中于胶粘面的末端或边 缘。因为胶接接头应力分布不均匀度越大，所能承受的载荷就越小，粘接强度 也就越低。 金属胶接接头的静载强度测试方法中，重要的有正拉、剪切、剥离以及劈 裂等强度指标的测试，原因在于实际金属胶接接头上承受这样的载荷较常见。 其中，胶接接头承受的拉剪力是最常见的，它的接头形式如下图所示： 7 第1 章绪论 图1 3 胶接拉伸剪切试样示意图 在胶接接头形式确定以后，被粘物厚度和胶层在空间中的分布情况也会影 响胶接强度。胶层在空间的分布包括：胶层厚度、搭接长度和搭接宽度。以搭 接长度为x 轴，搭接宽度为y 轴，具体图1 3 。 研究表明，胶接强度随搭接长度的增加而减少。图1 4 给出了最大应力随 搭接长度变化的曲线。 5i o1 52 02 5 3 03 5 图1 4 搭接长度对剪切强度的影响 胶层厚度对胶接质量有显著的影响。大多数胶都是随着厚度的增加而降低 的，这是因为薄的胶层需要更大的应力才能变形，不易产生流动和蠕变，界面 上的内应力也小，产生气孔和缺陷的几率也比较小。但是胶层如果太薄，容易 缺胶，胶层不连续，也会降低刚度和强度。所以，要在胶接接头的设计中选择 合适厚度的胶层。 胶瘤对胶接强度也有很大的影响。如图1 5 所示，有胶瘤的和没有胶瘤的 应力分布就不同。在实验当中要控制涂胶的多少，保持所有试件胶瘤大小的一 致性。 8 第1 章绪论 一一 图1 5 胶瘤对应力分布的影响示意图 5 0 - 3 0 总之，影响胶接效果的工艺因素很多，如果操作过程中稍不注意，则会极 大地降低胶接强度，甚至导致胶接失败，只有了解影响胶接性能的各种因素， 才能获得理想的胶接强度。 1 3 环境影响胶接力学性能研究的国内外现状 单搭接接头是金属与金属胶接中最常见的接头形式，也是胶粘剂强度实验 中最常用的接头形式n 钔n 副。对单搭接接头，进行实验分析应力比较难，研究工 作主要集中在两个方面，一是理论分析寻求问题解析解，二是用有限元法求其 数值解。在胶粘剂的应力应变关系为线性或非线性时，均得到了应力分布的解 析式n6 。，还建立了载荷随时间变化粘弹性胶粘剂单搭接接头的应力分布模型n 7 1 。 v o l k e r s e n 最早研究了胶接单搭接接头中搭接区域内不同应变的影响u 引。 g o l a n d 和r e i s s n e r n 刚对搭接接头进行分析时，考虑了板在搭接区域的弯曲效应。 a 1 l m a n 1 在全面考虑被粘体的弯曲情况下对接头剪切应力和正应力分布进行了 分析。r o b o r t s 乜对单搭接接头的正应力和剪切应力做了理论分析。c h a n g 和 m u k i 瞄羽考察了剪切拉伸搭接接头中弹塑性载荷的传递，建立了接头的积分方程， 并计算得到了接头区的应力。y a n g 和p a n g 窿叫基于各向异性分层板理论，提出了 复合材料胶接板中应力应变的耦合作用。w i l lj a n 瞳制，h a h n 心卅啪1 等采用有限元方 法考察了胶接接头中的应力。h a h n 心刀和d o r n 1 考察了胶接接头强度及其影响因 素，k a k i a g e 汹1 等选择箱形截面试件，考察了胶接接头的若干原则。s c h l i m m e r 啪1 采用断裂力学分析方法，研究了拉伸剪切胶接试件中的胶粘剂行为。g u i l d 3 等 应用有限元方法模拟有机材料接头胶层中的裂缝展开，与实验结果得到了很好 的吻合。0 l i a 口2 3 和t p l a n g 口3 1 对间隙连接做过一些数值分析，但前者把间隙视 为一种缺陷，后者主要用有限元的方法分析了单段间隙对单搭接接头胶层应力 9 第1 章绪论 分布的影响，但是模型很粗糙，有待进一步改进。g o n c a l v e s 1 等人应用三维有 限元分析表明，胶层沿板宽度方向的应力呈两边低中间高的分布。 郭忠信口副对铝合金胶接接头在搭接长度的中部留一些不涂胶的空隙进行剪 切强度测试，结果表明中间留一定范围空隙基本上不影响接头总承载能力。游敏 等m 3 7 1 做了进一步实验研究发现胶层间隙的存在虽然名义强度降低，但对于提 高单搭接接头的实际强度有明显作用，剪切强度最大值可比连续接头增加9 0 。 王玮、殷勇3 叩等简要的概述了胶接接头强度分布情况。石玉璞h 伽等采用二维 弹性理论及余能原理分析了由两种不同材料、不同厚度和不同长度的板条，用 一定厚度的胶层胶接在一起，其接头部分的应力分布情况，并给出了载荷系数 k 。、k 2 的解析解。晏石林h 等对具有不同弹性模量、不同厚度的两种材料之间的 胶接接头进行了分析。张福范h 幻采用了级数方法计算了不同材料胶接时，接头 胶层的应力分布情况。游敏、孙德新h 3 1 分析了胶层多段间隙时，胶层中应力分 布情况，结果表明，与连续胶接接头相比，断续胶接接头最大剪切应力增加不 大。孙德别4 4 4 剐等用a n s y s 软件，在考虑接头几何非线性、胶粘剂塑性等特征 基础上分析了间隙胶层连接刚度不对称胶接接头中，胶层内应力分布情况，并 在此基础上对胶粘剂的最佳用量进行了优化。常宝华h 刚等采用三维弹塑性有限 院方法分析了胶焊接头中胶粘剂厚度、弹性模量对胶焊接头应力分布影响。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究内容主要有三部分： 第一部分为理论研究部分。建立含横向间隙胶接接头的力学模型，通过解 析法，分析加载胶接接头胶层界面上的剪应力和正应力的分布情况，并对不同 间隙位置和宽度的条件下胶层界面上的剪应力和正应力的分布规律和差异进行 比较，总结出横向间隙位置和宽度对胶接接头应力分布的影响规律。 第二部分为有限元分析部分。应用a n s y s 有限元软件对含间隙和孔洞的胶 接接头建模，比较不同间隙和孔洞的位置和宽度条件下胶层界面上的剪应力和 正应力的分布规律和差异，进一步验证理论估算不同问隙和孔洞的位置和宽度 对胶接接头胶层界面上应力分布影响的规律性。 第三部分为实验研究部分。以镀锌高强度钢板和结构胶粘剂a 为研究对象， 对含间隙和孔洞的胶接接头的力学性能进行实验验证。对胶接试件进行拉伸试 验，得出含间隙和孔洞胶接接头能承受的最大拉伸力、名义剪切强度和实际剪 切强度。并通过实验研究环境温度和湿度对胶接接头力学性能影响的研究。 1 0 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 胶接接头由被粘物和夹在被粘物之间的胶粘剂所构成，是结构部件上的不 连续部分，起着传递载荷的作用。胶接接头的强度取决于胶粘剂的内聚强度、 被粘物本身的强度和胶粘剂与被粘物界面的结合强度。而实测强度主要由三者 之中最薄弱的环节所支配，并受到接头形式、几何尺寸和加工质量的影响。 2 1 胶接技术基础 2 2 1 胶接接头的基本形式 实际上应用的胶接接头的结构形式是多种多样、变化多端的，但总的来说， 都是几种基本类型的单独或相互组合的结果。常用的接头类型有对接接头、斜 接接头、搭接接头、套接接头等。 1 ) 搭接接头。搭接就是平板被粘物涂胶后叠合在另一平板被粘物端部一 定长度上，使之成为一体的接头形式。搭接接头有单搭接、平接、双搭接等形 式。搭接接头因其制作工艺简单，适用于板与板的胶接以及薄板的加强，因此， 被广泛使用。胶接接头的载荷传递是不均匀的。就搭接接头而言，一方面由于 金属被粘物与合成胶粘剂的弹性模量相差悬殊，在载荷作用下，应变程度有很 大的差异，造成接头中的应力分布不均匀；另一方面，由于加载偏心，引起被 粘物的弯曲和搭接部位的转动，使胶层上除有平行于外力的剪切应力外，还有 弯矩引起的垂直于胶层的正应力一剥离应力。 见图2 1 ( a ) 。 2 ) 面接接头。它是两个被胶接物主表面胶接在一起所形成的接头 见图2 1 ( b ) 。 3 ) 对接接头。对接就是将两个被粘面涂胶后对合在一起，成为一体。这 种接头类型对于破损件的修复很有用，因为它能基本上保持原来的形状。热塑 性塑料制品的溶剂或热熔胶粘，就可以采用这种对接形式，但不适用于金属和 热固性塑料制品，因为对接承受的是不均匀撕离力的作用，容易产生弯曲和应 力集中，对横向载荷很敏感。同时，胶粘面积小，承载能力低，其结果是不牢 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 易坏。 见图2 1 ( c ) 。 4 )角接接头。两被胶接物的主表面端部形成一定角度的角接接头称为角 接接头 见图2 1 ( d ) 。 5 )斜接接头。斜接就是将两被粘物端部制成一定角度的斜面，涂胶后再 粘结，实际上就是小于9 0 0 的对接。不过一般的斜接角不大于4 5 0 ，斜接长度不 小于被粘物厚度的5 倍应该况斜接接头承受的是剪切力，分布比较均匀，粘结 面积增大，承载能力提高，不但纵向承载能力高，而且横向承载能力也很高， 并且可以保持原来的形状，因此，是比较好的一种接头形式。然而实际上斜接 接头的应用并不广泛，其原因是斜面制备比较困难，若是配合不好，胶层厚度 难以保证，可能达不到预期效果。 见图2 1 ( e ) 。 6 ) t 形胶接接头。特指两个被胶接物主要表面呈t 形的胶接接头 见图2 1 ( f ) 。 7 ) 槽接接头。它是一种槽式的胶接接头。 见图2 1 ( g ) 8 ) 套接接头。套接就是将被粘物的一端插入另一被粘物的孔内的接头形 式。套接接头的特点是受力情况好，胶粘面积大，承载能力高，适用于圆管与 圆管或圆棒与圆管的胶接。在棒材与管材、管材与管材胶接时，两被胶接物的 胶接部位形成销轴或套状结构的接头 见图2 1 ( h ) 。 = 二= = 二二二】二二二二二二二 ( c ) 二二= 二二二二z 二二二= = ( e ) 二二工二 ( g ) ( b ) 图2 1 胶接接头的基本形式 ( d ) 2 1 2 胶接接头的受力分析 实际的胶接接头形式是多种多样的。受力情况各不相同，况且应力应力 1 2 三 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 分布不均匀。接头的破坏既与应力大小有关，也与受力部位以及接头内部缺陷、 弱界面区有关，因此，接头的受力状况是比较复杂的。通常是借助于标准化的 胶接强度测试方法，以典型受力的接头形式，研究胶接接头的力学行为。 1 ) 接头受立分析。接头胶层在外力作用时，有四种受力情况，如图2 2 所 示。 拉应力或均匀扯离力。外力与胶接面垂直，且均匀分布与整个胶接面( 或 称j 下应力) 见图2 2 ( a ) 。 剪切力。外力与胶接面平行，且均匀分布于胶接面上 见图2 2 ( b ) 。 剥离力。外力与胶接面成一定的角度，并集中分布在胶接面的某一线上 见图2 2 ( c ) 。 劈裂( 扯裂) 力或不均匀扯离力。外力垂直于胶接面，但不均匀分布在 整个胶接面上 见图2 2 ( d ) 。 ( q ) 正拉( b ) 剪切 ( c ) 剥离( d ) 劈开 图2 2 接头中胶层的典型受力情况 为了分析方便，上述四种应力尚可简化为拉应力和剪应力两类。拉应力包 括均匀扯离( 正拉) 力，不均匀扯离( 劈裂) 力和剥离力。 2 1 3 胶接接头的破坏形式 根据胶接接头破坏的位置，可把其破坏分为以下基本类型： ( 1 ) 内聚破坏 内破坏分为胶粘剂的内聚破坏和被粘物的内聚破坏，见图2 3 。前者是胶粘 1 3 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 剂胶层发生破坏，后者是被粘物发生破坏。胶粘剂和被粘物的内聚破坏，主要 取决于两者材料自身的强度当然还与材料内部的缺陷、构成接头后体系内部的 胶层厚度、被粘物的表面处理状况以及组分间的相互作用等有关。 胶粘剂 ( a ) 胶粘剂的内聚破坏( b ) 被粘物的内聚破坏 图2 3 胶接接头的内聚破坏 ( 2 ) 界面破坏 界面破坏是指胶层与被粘物在界面处整个脱开而形成的破坏，见图2 4 。界 面破坏的原因是被粘材料的可粘性差造成的。研究表明，除了无法胶接的材料 有完全的界面破坏之外，一般不存在真j 下的界面破坏，宏观上看到的界面破坏， 在显微镜下都会观察到胶粘剂的残迹。胶接时应该尽量设法避免界面破坏。 图2 4 胶接接头的界面破坏 ( 3 ) 混合破坏 混合破坏也叫交替破坏，包括一部分内聚破坏和一部分界面破坏，即破坏 通过胶粘剂在两界面处交替进行。见图2 5 。 1 4 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 图2 5 胶接接头的混合破坏 2 2 含间隙胶接接头应力解析分析基础 2 2 1 胶接接头的经典力学理论 由于胶粘剂的剪切和压缩强度远远高于其剥离和拉伸强度，在接头设计中 希望使用胶粘剂的剪切力，因此有必要研究胶接接头力学状态以对其进行优化。 目前胶接接头类型大致有：单搭接头、双搭接头、斜接接头、梯接接头、对 接接头、管搭接头、角接接头等，它们在工程实际中有较广泛的应用。单搭接头 由于结构简单，在实践中使用频繁，在胶粘剂测试实验中也常被使用。另外由于 其存在弯矩作用，应力状态更接近实际工况，成为力学研究的首选。 单搭接头结构模型如图2 5 所示。最初的简单力学分析假设被粘体为刚性， 而仅考虑胶粘剂受纯剪切变形的情况。如果结构厚度为b 、长度为1 、载荷为p ， 那么可知剪切应力为： 尸 f = 一 6 z - 图2 5 单搭接接头 图2 6 表示了被粘体为弹性时的受力情况。被粘体中的拉伸应力从位置a 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 到b 逐渐线性减弱到零，由于a 点的拉应力比b 点高，其变形也应该大，所以 便导致了如图所示的结果，这种分析模型称为剪滞模型( s h e a rl a gm o d e l ) 。 a b p 图2 6 剪滞模型 p v o l k e r s e n 最早于1 9 3 8 年提出剪滞模型，对其力学状态进行分析，受力情 况如图2 7 所示，取垂直于受力方向的微单元进行分析。 经过推导，可得： 一 f ， a ，c o s c o xf 矽一11 国s i n c o x f = j l = + i 二一l f 。 2 s i n t o 2 l 伊+ 1 j2 c o s o ) 2 一剪切应力平均值；= ( 1 + 妒) ， q ，= t i t 2 ， = 簧； x = 州， 一1 2 x 1 2 。 p 。- c 。，o 。，c 。+ d 。， p h 孤，斡酏地， 呶 捌 图2 7 单搭接头剪滞模型受力图 由此可知，胶粘剂最大剪应力发生在接头的末端，与止万丽成正比。 v o l k e r s e n 在他的剪滞模型假设中忽略了两点：载荷的非同轴性导致的弯矩，被 连体的弯曲导致接头形状的改变。 1 6 单 第2 章禽间隙腔接接头受力讣析基础 2 22 胶接接头的数值分析 在工程技术领域内，对于许多力学问题或场问题，有时可以建立它们应遵循 的蟮本方程，【! | j 常微分方程或偏微分方程和它们相应的边界条件。但是用解析 法求解它扪的精确解往往比较困难，除非方程性质比较简单，且几何边界相当规 则的少数问题。对于大多数工程技术问题，则很少有解析解。爿有一螳工程技 术问题连它们的微分方程也难于建立，更无法求解。为此人们曾提出两种古典的 近似求解方法，即有限差分法与变分法以弥补求解的不足。 在实际接头的强度预测中，必须解决两个问题：毛边效应和材料的非线性。 简单接头和复杂接头研究结果都显示胶粘剂的最大应力发生在胶接的边缘，而 在接头制作过程中，由于压力导致胶粘剂的挤出形成毛边，这对胶接接头应力 分巾将产生很大的影响。 对胶粘剂层- p 的应力进行实验是比较困难的，a d a m s 等人用硬椽胶作被粘 体，软橡胶作胶粘荆做了实验，其变形如图圈2 8 所示，与理论的分析顸测较为 - 敛。 豳28 硅腔接头模型形变的实验与理论比较 ( + 为理论预洲) 前人的工作表明，毛边有助干改善接头应力分佰，而且在实际生产r h ，通 过机械方法在不损伤被粘体的情况下去除毛边是很困难的，因此一般存留与胶 粘层人致等厚的毛边。另外，机械加工方法也容易导致初始裂纹特别是对脆 性高温胶。 由于胶粘剂大多属于高分子聚合物范畴，在失效之前均有大的塑性变形， 因此对胶接接头进行弹塑性分析更切合实际。另外，被粘体也经常有塑性屈服存 在。针对接头的弹塑性问题有两个分析方法，一是宏观力学理论，二是采用有 第2 章含间隙胶接接头受力分析基础 限元技术。最早使用宏观力学方法的是h a r t - s m i t hlj ，该方法是建立在剪滞 模型的基础上，采用的弹塑性本构模型为： 厂 7 嘶，r = 肛 纠肚。+ ( 羔) 式中口= y q 一0 ，= z m 。一t 。宏观力学方法相对有限元法的优点是可以 明确地知道胶接厚度、接头长度等参数与接头性能的关系。h a r t s m it h 在分析 中假定当胶粘剂中剪切应变达到设定的最大值时失效，由此h a r t s m i t h 提出 了设计理论： a 塑性区必须足够长以承受外载荷； b 中间的弹性区需要足够大以防止蠕变； 考虑到弹塑性范围的应力变化，失效判据的选择是各种分析的重要依据。 金属材料诸如t r e s c a 、y o nm i s e s 、m o h r - c o u l o m b 等屈服准则，由于忽略了应 力张量中流体静力学的影响，而不适用于聚合物。对脆性胶粘剂材料，失效准 则采用最大主应力，对韧性胶粘剂则应该采用最大主应变。 1 8 第3 章含横向间隙胶接接头有限元分析及实验研究 第3 章含横向间隙胶接接头有限元分析及试验研究 3 1 模型简化 胶枯剂是有机主要成分是环氧树脂，环氧树脂作为有机高分子材料，具有 一定的吸水性，因此胶粘剂也具有一定的吸水性。当胶粘剂处于恒湿环境中时， 要吸取环境中的水分并储藏在胶粘剂内部，在高温固化过程中，水的汽化在胶 粘剂的内部形成孔穴。图31 为经过环境处理的胶接接头拉伸断面，标示1 为 横向扎穴，标示2 为纵向孔穴孔穴的存在势必引起有效搭接而积的减少和应 力集中，这些都将影响胶接接头的力学性能，降低腔接接头的抗拉强度。 图31 经过环境处理的胶接接头拉伸断面 由图3 1 可见，孔穴在接头上的随机分布，分布于接头的整个断裂面，孔 穴的形状极不规则，增加了问题分析的不确定性。为了便于分析，对含孔洞的 的胶接接头进行简化，把标示1 区域的孔穴视为横向间隙，建立古横向刚隙胶 接接头模型( 如图32 ) 。把标示2 区域的孔穴视为纵向间隙，建屯古纵向问昧 胶接接头模型( 如图33 ) 。 愿 第 章青横向川隙腔接接，；有限元分忻及实验研究 馘i导 ”焉f i 庐 案 幽32 禽横向闸隙的脞接接头 厂 厅 广7 _ _ e 二 削33 含纵向间隙的脞接接头 在实际的工程中，胶粘剂吸收的水分在高温下汽化，形成内壁光滑的的孔 洞，如同34 所示，形状接近于球形。为了模拟实际工程中孔洞对胶接接头力 学性能的影响程度，建立含孔洞胶接接头模型( 如图35 ) 。 渗穆 幽34 胶粘刑中孔洞示意酣 第3 章含横向间隙腔接接头有限元分析及实验研究 酗35 青孔洞胶接接头的胶层 由图36 可以看出，在断裂接头的表面，断裂胶粘剂的断面平整规则，没 有明显的撕裂痕迹，可见胶粘剂与钢板的胶接表面是在受到垂直与胶接表血的 力作用下断裂的冈此，胶接接头丰要在正应力( 剥离应力) 的作用下断裂的。 但从图37 的6 0 x 电子扫描照片叮咀清晰的看出，断裂接头的端面整体上是规 则平整的，这也证明了胶接接头主要在正应力( 剥离应力) 的作用下断裂的， 且断裂表面胶粘剂的裂纹方向与试件拉伸实验时的受力方向一致，断面有平行 胶接面的撕裂，胶接接头在断裂时又受到平行于断裂表面的剪切应力的作用。 总之，接头的断面既有垂直于胶接面的断裂，又有平行胶接面的撕裂，因此胶 接接头在垂直于胶接面的剥离应力与平行于胶接面的剪切应力作用下断裂。因 此，因此可以判断胶粘剂与被胶粕物的接触面上的应力比胶层内部其他地方的 一j 。誊： 戆羞 图36 胶接接头断裂表面j ( 片 蚓37 胶接接头断裂表面j ! 片扫描电镜j i f 片 第3 章青横向间隙腔接接头有限元分析及实验研究 32 横向间隙对胶接接头应力分布影响规律的有限元分析 321 含横向间隙胶接接头有限元模型的建立 参照a s t m 叭0 0 2 和g b7 1 2 48 6 ，并结合实际拉伸实验时的实际情况，选择 试件模