應當注意,哈特·史密斯和格蘭特設計原理隻是為專門應用於飛機結構上而創立的,並沒有普遍地應用到使用膠粘劑技術的其它方麵。但是,這種理論對膠接搭接接頭的設計來說,是一個重要的且能獲得成功的途徑。
正如上麵提到的,哈特·史密斯基本近似法需要忽略不計作用在膠層厚度方向上的正應力或剝離應力。但是,實際上這些應力極可能就是接頭破壞的主要應力,甚至在雙搭接接頭上亦如此。哈特·史密斯已經認識到這種可能性,而且在1972年把彈性狀態的剝離應力與塑性狀態的剪切應力結合起來進行分析。
對足夠薄的被粘物而言,其“剝離應力”並不重要。這一公式可用於求解複合材料接頭的破壞問題,而這種複合接頭破壞是由於在複合材料層壓板中的橫向應力造成的。圖中也表明了什麼樣的被粘物外形可減小剝離應力、改變破壞方式和增強接頭的強度。
當使用封閉方程組分析法(諸如哈特·史密斯法)來研究材料非線性特性時,其應用的關鍵是該應力-應變曲線的真實雙搭接膠接接頭中的剝離應力,數學模型在代數解範圍內是否易解。而使用由亞當斯等人建立的有限元法,計算能力就成為應用的關鍵。在膠層的端頭處有高彈性應力和應變梯度,因而需要沿膠層厚度劃分成3個或4個具有8結點的四邊形單元。但是,在考慮材料的非線性特性時,在所給出的任一單元上需要進行大量的計算工作。顯然,減少單元的數目,或許沿膠層厚度隻用一個單元更為必要。暫不談計算問題,必須首先給屈服下定義通常是指膠粘劑屈服,但也可能是被粘物屈服、然後再來確定一個相適應的破壞準則。
首先來考慮膠粘劑的屈服特性。亞當斯等人(1978年)分析了雙搭接接頭,在接頭中使用了兩種不同強度和不同破壞應變的膠粘劑。當然,所使用的膠粘劑具有廣為認同的大多數聚合物的屈服特性(其中包括環氧樹脂),其應力依賴於流體靜應力和偏應力兩個分量。在單向拉伸和壓縮中,屈服應力中伴隨的剪切應力較高的平均應力。
厚複合材料膠接接頭剝離應力破壞的減緩這種現象的結果是不同的。例如環氧樹脂,薩爾坦和麥加裏,在1908年所得到的壓縮屈服應力與拉伸屈服應力之比為1.28:1.35;皮克和朗斯基在1976年得到的壓縮與拉伸屈服應力的比例係數為1.33。鮑登和朱克斯在1972年指出,壓縮屈服應力與拉伸屈服應力比例係數的增大與存在於環氧樹脂中的增塑劑數量有關。
在雙搭接接頭中,根據有限元分析法的預測,試樣屈服將首先發生在靠近外被粘物邊角的端點上,而預測的最大應變在被粘物邊角上的膠層內。外側的選用這兩種環氧樹脂進行研究,是因為這兩種環氧樹脂易澆鑄到大部件裏麵,從而可對大批量試樣進行機械加工。
被粘物無負載端頭處的塑性變形區擴展情況。在雙搭接接頭中,兩種膠粘劑的搭接長度均為12.7,每種膠層厚度為0.13,外加載荷與被粘物邊角上膠層內最大主應變間的關係曲線。應當注意,在最大應變處,接頭比具有相同應變量的接頭的承載量要小。但是,如果接頭在破壞前能承受的應變量,則該接頭的承載能力高出27。易被忽視的情況是,在應變為5時的抗拉強度小於75在應變時的抗拉強度。需要記住,在搭接接頭的髙應力區,膠粘劑在破壞時的應變不一定要等於其通過大批量試樣得到的單軸向拉伸試驗中發生破壞時的應變值。然而,在缺乏其它數據的條件下,可以利用上麵所給出的搭接接頭中兩種膠粘劑的破壞應變值,作為定性的估計值。
搭接長度為12.7和不同膠層厚度的雙搭接接頭的預測強度。非線性分析預測的強度隨膠層厚度增加而增大,這與用線彈性分析得出的預測結果是一致的。
盡管接頭破壞是由靠近被粘物邊角上的拉伸應力所致,但大部分的載荷在搭接區中是由膠粘劑來傳遞的。因此,檢驗接頭搭接區內剪應力分布的非線性特性的作用是有指導意義的,在出預測的搭接接頭正好在破壞前剪應力分布與彈性剪應力分布的比較。在靠近外側被粘物端頭處的最大剪應力已減少到僅是以彈性分析預測值的83。
因此,為了預測搭接接頭的破壞載荷,就必須準確了解搭接接頭高應力區中的膠粘劑特性。也需要對膠粘劑在發生破壞前所能承受的或按某些其它的破壞準則規定的應變值進行估計。
近來,哈裏斯和亞當斯對允許被粘物的搭接區發生扭轉的搭接接頭(大位移分析)以及被粘物和膠粘劑兩者有顯著塑性變形的搭接接頭的研究方麵獲得了一些成果。
哈裏斯和亞當斯(1983年)用鋁作為接頭被粘物,分析了具有標準單搭接接頭的試樣幾何形狀和各種非線性情況。在材料特性保持線彈性情況下,由於一係列外加載荷作用使接頭發生大位移扭轉,對膠粘劑中最大主應力的分布影響。應力分布通過除以平均外加剪應力(用外加載荷除以搭接區麵積)已無量綱化,這樣可表示出沿搭接區長度應力集中的量值。如前所述,在外加載荷增加時接頭發生扭轉,結果使搭接區端頭處峰值應力集中降低,而且向搭接部分的低應力區內傳遞了大部分載荷。這些峰值應力分布情況表明了在單搭接接頭試驗中的非線性程度。這樣,當假設使用的膠粘劑為彈性時,要使接頭強度由提高到15,膠粘劑的強度隻需增大為6倍,而不是3倍。
一般采用具有彈-塑性特性的被粘物,來對被粘物的屈服效應進行模擬研究。對於被粘物性質相當於低強度合金和膠粘劑為線彈性的情況,膠粘劑最大主應力分布。在非常低的載荷餅的距離,在大偏轉情況下,沿膠層歸一化的最大主應力分布隨外加載荷的變化時,膠粘劑的最大主應力分布相似,因為這時被粘物仍保持彈性狀態。在拉伸和彎曲的作用下,當外加載荷接近1.5時,被粘物開始進入屈服階段。在達到3~4時,被粘物的塑性變形對膠粘劑應力有兩方麵的影響。第一,它導致了搭接端頭處。此外,對於彈性情況,它還有增強接頭扭轉的效果。第二,在膠粘劑毛邊的邊緣處膠層應力集中增加,這是由於在附近被粘物產生最大變形引起不均勻剪切效應的局部增加所致。當外加載荷為6時,在被粘物中進一步發生塑性變形,而在八點的峰值應力相應減小。