正文 第二章 膠接接頭中應力的性質和量值(四)(1 / 3)

雙搭接接頭拉伸端塑性變形的增長區,如果考慮到膠粘劑非線性特性,由線彈性分析所預測的比較髙的膠粘劑應力集中,將會在某種程度上有所減小。當載荷增加時,所預測的雙搭接接頭的拉伸端部的膠粘劑屈服範圍。同預料的一樣,塑性流首先在靠近被粘物的邊角上開始,並與載荷和接頭效能的21%相對應。連續載荷的每個增量代表接頭效能增加4.4%。當假設膠粘劑為完全彈-塑性時,用最大應變破壞準則看來是合理的。在接頭效能與雙搭接接頭每一端部處膠粘劑中最大主應變間的關係曲線。對於膠粘劑,假定其破壞應變是5,用接頭分析法預測的雙搭接接頭的接頭效能為31,而與之相比,用線彈性分析預測得到的接頭效能為16。與此相類似,對雙嵌接接頭進行非線性分析,預測的接頭效能是39,而用線彈性分析預測得到的接頭效能為20。雖然通過考慮非線性特性使預測的膠粘劑接頭效能值幾乎翻了一番,但仍可預測到,在膠粘劑中要比被粘物中更可能發生破壞。

盡管膠粘劑在拉伸中的破壞是在接頭的端部,但大部分載荷是在搭接區中傳遞的。因此,研究非線性特性對膠粘劑剪應力分布的影響是有一定意義的。在搭接接頭中,相應於膠粘劑最大應變的10和20時的剪應力分布。在膠粘劑最大應變高值處,即接頭很可能發生破壞時,剪應力分布才有明顯改善。膠粘劑中的塑性流使被粘物中應力集中降低,但不顯著。對於雙楔麵搭接接頭,膠粘劑產生的屈服使彈性剪應力的分布也發生類似的變化。

雙搭接接頭中,接頭效能與膠粘劑最大主應力之間的關係曲線應力集中。與此相比,增強碳纖維塑料I型單向性被粘物構成的類似接頭,僅產生數值為3的應力集中。

將複合材料粘接到金屬上是很常見的,並由此引出以下重要論點。雙搭接接頭中金屬鋁和單向性I型增強碳纖維塑料被粘物之間的膠粘劑應力分布曲線。如果外層被粘物是鋁,而中心被粘物為增強碳纖維塑料,那麼最大的剪應力將發生在接頭的鋁被粘物承受載荷的壓縮端。這是因為鋁被粘物比複合材料被粘物的拉伸剛度低的緣故。然而,在接頭的每一端上,膠粘劑中的應力集中是相似的。因此,就膠粘劑而言,該接頭處於良好的狀態下。如果調換一下,外被粘物是單向性的增強碳纖維複合材料,中心被粘物是金屬鋁,由於被粘物材料不同,則發生在接頭拉伸端較大的剪應力與相同材料的被粘物相比,會增大得更多些。在接頭拉伸端的應力集中,這時已是壓縮端上應力集中的3.6倍。結果,就鋁合金被粘物的強度而言,接頭效能從79%減少為48%。

上麵所介紹的接頭並沒有試圖利用單向性I型增強碳纖維複合材料的高強度。如果增強碳纖維複合材料的拉伸強度假設,鋁合金的屈服強度假,那麼,若要充分利用增強碳纖維複合材料的高強度,鋁合金被粘物的總厚度就必須近似地取作複合材料的4倍(對於較脆的增強碳纖維複合材料的強度,其允許的安全係數為1.2)。在將兩片厚1.5的鋁合金為外層被粘物粘接在以厚75的為中心被粘物上的雙搭接接頭中,膠粘劑剪應力的分布。薄的中心被粘物的拉伸剛度較低,使接頭拉伸端部處剪應力和應力集中增大。根據鋁合金被粘物的強度,假定拉伸應力為時,膠粘劑發生線彈性破壞,此時接頭效能僅為20。

被粘物斜角搭接的作用是破壞了原先的應力集中平衡,使接頭壓縮端比拉伸端的應力集中高得多。雖然最大剪應力比在雙搭接接頭中約小,但斜角搭接接頭溢出的粘劑毛邊要小得多,使應力集中提高了。采用階梯型搭接接頭是連接增強碳纖維複合材料的一個重要方法。在單向性的增強碳纖維複合材料被粘物間4個階梯型接頭中,膠粘劑剪應力的分布。對於較小的對接麵間距,在階梯的端部最大剪應力小於外加剪應力的平均值。這是因為至少有一半的外加載荷是由膠粘劑來承受,這部分膠粘劑是在應力集中約計為10的區域內的對接麵之間。膠粘劑承受的剪切載荷的比例(而不是對接麵表麵所承受的載荷)隨著將對接麵間膠層厚度增加到0,而顯著增加。增加對接麵之間的膠層厚度,就會增加階梯端頭的剪應力,但卻減少在對接麵之間的應力集中。在單向性的I型增強碳纖維複合材料被粘物中,預測的接頭效能增加了6~10。現在把鋁和單向性增強碳纖維複合材料被粘物間的階梯型接頭中的剪應力分布。其最高剪應力和應力集中發生在剛度較低的承載的鋁被粘物端部。

在階梯型搭接接頭中膠粘劑剪應力分布當假定膠粘劑為彈-塑性時,可預測到在階梯型接頭每個端部的對接麵之間首先發生屈服。當接頭上的栽荷增加時,屈服區域擴展的情況。在承載較高時,由對接麵間膠粘劑承受載荷的比例將減小。若假設膠粘劑遵從最大應變破壞準則,則增加對接麵間膠層厚度就可提高接頭的承載能力。例如,假設破壞應變為,用非線性分析法預測出的兩種膠層厚度的接頭效能分別為9和17,而用線性分析法預測得到的接頭效能則為6和10。顯然,膠粘劑較高的應變,相應的也會給出較高的接頭效能。

管狀接頭,膠粘連接可為由薄藥管組成的裝配結構提供一種方便而輕巧的方法。這類結構中的典型接頭——管狀搭接接頭,以及與管狀接頭非常類似的管狀斜角搭接接頭。

涉及薄壁管間接頭應力的著作雖然比平板間接頭的少些,但在軸向載荷作用的條件下,應力集中同樣由下麵三個機理所引起,即: