由戈蘭德和賴斯納論文中給出的由原解法所得的正應力,在接頭載荷較大時出現的明顯誤差。單搭接接頭在載荷作用下,用兩種不同解法所得到的最大拉伸應力曲線,同時還給出了楊氏彈性模量為範圍的膠粘劑由原解法所得的應力相對誤差百分率曲線。這裏也可以看出,按原解法,尤其是對於低彈性模量的膠粘劑,計算所得結果具有明顯的誤差。
根據戈蘭德和賴斯納的第二近似法繪製的最大剪應力,正應力仍,與外加載荷的關係曲線在雙搭接接頭中彎矩的作用。
盡管對稱的雙搭接接頭不像單搭接接頭那樣有純彎矩作用,但是由於載荷是通過膠粘劑加到被粘物各板上,且作用線偏離各被粘物的中性軸,因而在雙搭接接頭中仍然承受著內部的彎矩作用。在對稱的雙搭接接頭中,處於中間的被粘物不承受純彎矩作用,而兩表麵的被粘物產生彎曲。在表麵被粘物搭接區的沒有負載的端頭上,沿膠粘層橫截麵產生了拉伸應力,而在有負載的端頭上,產生壓縮應力。
沃爾克森的輔助理論
沃爾克森用與戈蘭德和賴斯納同樣的方法來研究膠粘,用戈蘭德和賴斯納修改前後的解法繪出的單搭接接頭膠層中最大橫向拉伸應力與膠粘劑楊氏彈性模量的關係曲線劑,並在1965年建立了用來描述雙搭接接頭的膠粘劑層中拉伸應力和剪應力的可解微分方程。在雙搭接接頭中,沃爾克森的輔助理論模型同戈蘭德和賴斯納的第二近似理論一樣,仍然忽略了雙搭接接頭被粘物的應力。這樣,沃爾克森輔助理論模型就與戈蘭德和賴斯納模型具有同樣的適用範圍。在雙搭接接頭中的彎曲作用不會引起搭接區域的扭轉,因而單位載荷在膠粘劑層中所產生的應力大小與外加載荷無關。所以,外加載荷明顯可從膠粘劑層的剪應力和正應力解函數中分解出來。
後期工作
沃爾克森、戈蘭德、賴斯納和其他較早時期的科學家,他們早期的經典研究工作受到一定的限製,因為當時都把沿膠粘劑層厚度方向的剝離應力和剪切應力假定為常數,剪應力在搭接區的端頭處為最大值(且不為零),而且忽略不計被粘物的剪切變形。事實上,膠粘劑層的端頭是自由表麵,因此在膠粘劑端頭表麵上不應當存在剪應力。這樣,根據剪應力互等定理,在膠接區端頭處的剪應力\也必須為零。沃爾克森在較後期的工作中,完成了包括端頭效應的修正值(通過令膠粘劑層端頭處的)和被粘物彎曲度修正值的解法。但是佩皮亞特在1994年發現,在沃爾克森論文中有錯誤,而且根據論文不可能推導出修正值的解法。佩皮亞特表明,若忽略由彎曲作用產生的被粘物上的應力,則可能推導出膠粘劑層上的剪切應力和沿膠粘劑層厚度方向上剝離應力的解析解。一種類似的求解方法在1969年已由本森推導出來。
近來,一些學者,特別是倫頓和文森以及奧爾曼(1977年)提出了一些建立被粘物模型計算彎曲、剪切和正應力,進而進行分析的成果。他們也假設在搭接區端頭處膠粘劑的剪應力為零。另外,雖然通過膠粘劑層厚度的剪應力為常數,奧爾曼還是考慮到了沿膠粘劑層厚度方向上的剝離應力呈線性變化。
現在來注意一下通常被忽略掉的搭接接頭中另一方位的應力。亞當斯和佩皮亞特在1973年就指出,沿著膠接接頭的寬度方向上存在一個重要的應力。哈恩早在1960年通過對搭接接頭的反射式光測彈性實驗的分析指出,膠粘劑層中的最大剪應力點在膠層兩端角上。在這個實驗中,被粘物允許發生彎曲,而兩端角上的髙應力被設想是由於被粘物一麵凸起一麵凹下的彎曲所引起的。在這種假定和想法的基礎上,庫沙在1964年繪出了單搭接接頭膠粘劑中的縱向剪應力分布的定性分析圖。
亞當斯和佩皮亞特在1973年的研究認為,在膠粘劑層中剪應力的存在和在被粘物中作用著與外加載荷方向相垂直的正應力,這些應力均是由於被粘物的泊鬆變形係數所引起的。對此,可通過一個簡單的物理論證來說明這些橫向應力的存在。如果被粘物在接頭範圍內是受到均勻拉伸,則由於泊鬆變形係數的原因,會使被粘物的厚度和寬度兩方向同時發生均勻的收縮。然而,在搭接區同一端頭同一橫截麵上的另一被粘物上沒有作用載荷。這樣,在該處就不會有橫向收縮。由於膠粘劑的抗剪切強度不可能是零(膠粘劑的抗剪切強度亦有可能較低),承受載荷的被粘物的橫向收縮變形必然會受到膠粘劑的限製,因而也使被粘物的橫向拉伸應力增大。
同樣,也由於膠粘劑的作用,會使搭接區的另一被粘物受到橫向的壓縮應力。在對稱接頭中,搭接區的中間對稱橫截麵上將沒有橫向應力作用。
由橫向應變引起的單搭接接頭的變形亞當斯和佩皮亞特在分析中忽略了彎曲的作用(這樣就使他們的成果更多地應用在雙搭接接頭中,而不是單搭接接頭中),並且把膠粘劑看作為無數個受剪切彈簧來對待。這樣,就忽略了搭接區的劈裂和剝離應力以及膠粘劑層中的縱向正應力。然而,他們利用了德馬克爾斯在1955年所提出的方法,考慮了接頭中被粘物的剪切變形。這對許多實際接頭來說是必要的。因為按照戈蘭德和賴斯納所提出的忽略被粘物剪切應變的準則是不適用的。
從平衡條件考慮,在平麵上口為接頭在寬度方向上的坐標:
由1英寸XI英寸單搭接接頭給出的被粘物中拉伸應力和膠粘劑(每單位載荷)的剪切應力與I的關係曲線力(沿接頭縱方向)對-關係曲線的形狀與由沃爾克森在1938年所推導的解法其結果非常吻合。然而,橫向應力表明,其指向(拉伸或壓縮)和橫向最大剪應力在搭接區的端頭上。
對各種複雜情況使用封閉方程組計算單搭接接頭中的應力是可能的(這種方法被稱為連續力學方法)。在許多情況下,這樣的解法是令人滿意的。但是,如果需要計算出實際接頭的強度,尚須解決以下兩個問題,即接頭的端頭效應和接頭材料的非線性問題(膠粘劑和被粘物材料產生了塑性變形)。為此,下麵首先來研究線彈性係統的接頭端頭效應。