除了包括材料非線性外,在單搭接接頭分析中還包括搭接接頭斷裂模式何非線性,這樣就能將膠粘劑的彈-塑性特性包括在內,並能用類似於雙搭接接頭分析方法來預測接頭的強度。膠粘劑特性處在兩種極值條件下的軸向拉伸應力-應變曲線。高強度、低韌性的特性曲線與未改性的環氧樹脂的相一致;而較低強度、高韌性的特性曲線則和加入加強韌性的同樣基性的環氧樹脂的相類似。由於在分析中包括了這些膠粘劑特性,因而在單搭接接頭中就能采用這些膠粘劑來模擬各種被粘物接頭,並按照適合的破壞準則預測接頭的強度。對於脆性膠粘劑,以單軸向拉伸特性曲線為基礎,最好采用最大主應力破壞準則;而對堅韌性膠的整體單軸拉伸應力-應變曲線粘劑,則使用最大主應變破壞準則。各種被粘物采用這些破壞準則所測強度和預測值之間相當符合。也要注意破壞模式的改變,當使用低強度被粘物時,裂縫從膠粘劑毛邊內部開始,進而發展到膠粘劑毛邊的邊緣上,也就是斷裂從I型破壞模式向II型破壞模式轉變。
顯然,這裏包括了處於這兩種極端條件之間的一個完整的膠粘劑特性係列,這裏的破壞準則也不能以某種單一參數為依據,如最大主應力破壞準則或最大主應變破壞準則(作為其它主要方麵的條件,也可能是重要的)。另外,一個接頭可能要承受各種各樣變化的載荷,這就導致了膠粘劑的臨界條件範圍。對膠粘劑的破壞準則需要進一步研究,以便確定在各種載荷下單搭接接頭以及更為複雜的膠接結構的強度極限。
被粘物形狀的影響——斜角的、楔麵的和階梯形的被粘物,到目前為止,我們僅研究了在單搭接接頭和雙搭接接頭中的平行側麵被粘物情況。可以看出,如果要得到更接近於實際的結果,用數學處理方法,不管是用封閉方程組分析方法還是有限元法,都有一定困難。例如,若要預測接頭的強度,就必須考慮到膠粘劑和被粘物的可塑性。有幾種類型的搭接接頭,其被粘物不是平行側麵和等厚度的板,而是具有各式各樣的型式。這些型式上的變化,都是試圖通過改變被粘物剛度來降低單搭接接頭端部出現的高應力集中和髙應變集中。在這些接頭型式中,載荷的作用線方向必定發生改變,除拉伸剛度外,被粘物的剪切和彎曲剛度也發生變化。
當被粘物的外部輪廓可以利用封閉方程組來描述時,其數學計算要比平行側麵被粘物接頭更為複雜。在這一領域內已有許多有名著作問世。哈特·史密斯已對一些錐形和階梯形截麵被粘物的接頭做出分析,所用膠粘劑假定為彈-塑性的。魯布金,瓦赫和韋伯爾已對斜角接頭進行了分析。泰姆認為在斜角和楔麵搭接接頭中,不必使被粘物的截麵完全逐漸縮減到邊緣處,因為在實際中很難做到這一點。他認為除非能得到精確的邊緣,否則這種錐形截麵的價值不大。即使當邊緣厚度減小到原來厚度的10%,與截麵不縮減的搭接接頭相比也沒有多大有利之處,而且還-進行額外的機械加工。
然而,當使用有限元法處理錐形和階梯形截麵搭接接頭的複雜問題時,就不會有前麵用封閉方程組方法求解的數學家們所遇到的那樣困難。許多研究者已解決了這一問題。其中,巴克爾和哈特使用了相當粗糙的網格,但以特殊的單元來代表膠粘劑。賴特使用三角形單元和一種彈-塑性膠粘劑。下麵列出一些研究細節,該結果是由作者之一亞當斯的學術研究組率先得出的,他們研究的是不等厚度的各種接頭,並以有限元法進行分析。
雙斜角搭接接頭和雙對接-搭接板接頭的膠粘劑剪切應力分布以及與普通單搭接和雙搭接接頭比較。在雙對接-搭接板接頭中部出現了應力集中最低值,但在接頭的另一端頭卻和普遍的雙搭接接頭情況一樣。由於這個原因,建議搭接板應取楔麵接或斜角接,以便使庫力集中情況接近於雙斜角接接頭。
實際上,斜角搭接有助於減少在接頭中的應力集中,但正如泰姆所說,如果要使斜角搭接起到這種作用,就必須完全做成刃形邊緣。在楔形接頭中,圖解所有的變量是不可能的,也不必特別去做任何更詳盡的圖解說明。
然而,還有另一種接頭值得考慮,即階梯形的搭接接頭。在這裏給出關於這種接頭彈性分析的一些結果,讀者可查閱複合材料膠接接頭的有關章節。這種接頭明顯相同的被粘物的兩種結果,其差異是兩階梯形之間的縱向空隙,其剪應力比間隙要高得多。究其原因,是在間隙為正常情況下,大約載荷的一半是直接由對接麵之間承受的。初看起來,這似乎是一個理想的情況。但實際上卻差得很遠,因為在這種情況下,甚至在忽略應力集中的情況下,膠粘劑也必須負擔大約為鋁被粘物一半的局部拉伸應力。由於膠粘劑僅能承載約為的拉伸應力,而鋁卻能承載300~400的拉伸應力,顯然接頭的效能被限製了。事實上,一個間隙很小的對接階梯型搭接接頭,更接近於普通的對接接頭,而不是斜角搭接接頭。這樣,就應注意保證相鄰對接麵至少分開。如果考慮到膠粘劑的非線性特性,則在屈服擴展到整個膠層之前,屈服首先發生在端頭上,然後才擴展到中間的階梯上也有人建議,搭接接頭的被粘物應製成型材,以便膠層的厚度可沿著搭接長度變化,而剩下的被粘物厚度基本保持不變。亞當斯等人在1993年指出,使用正方形的型材,沿接頭膠層剪應力可能近似為常數。在實際中,要達到這種要求是困難的。簡單的線性型材被粘物有可能做到這一點,但對精密機加工要達到如此精密的公差,尤其是當需要更高精度的接頭組裝時,所帶來的問題會超過型材被粘物可能得到的好處。