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

（三峡大学 机械与材料学院，湖北 宜昌 443002）

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

2 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.

［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.