正文 第二章 膠接接頭中應力的性質和量值(四)(3 / 3)

由菲隆、皮克特和本瑟姆、明德霍德通過對未加工的剛性鋼板之間的圓柱體壓縮的分析,認為其中存在有應力集中。盡管所分析討論的尺寸比率(直徑與膠粘劑厚度之比)要比在膠接接頭中遇到的小得多,但其邊界條件卻類似於受軸向載荷的對接接頭。金特和邁內克假定橡膠是不可壓縮的,計算了在拉伸和壓縮情況下處於剛性被粘物之間的橡膠塊中的應力分布。林賽分析了假定剛性被粘物沿膠層厚度的應力分布為均勻的對接接頭。這一分析表明,在靠近接頭的自由表麵附近存在有剪應力。哈裏森和哈裏森(1972年)使用三角形單元有限元法分析了在拉伸載荷作用下的二維對接接頭。他們假設被粘物是剛性的,膠粘劑為平麵應變,所得到的最大剪應力靠近自由邊界附近。奧爾沃和納戈雷雅假定被粘物為柔性的,也采用三角形單元有限元法

分析了在拉伸載荷作用下對稱二維平麵應力的對接接頭。

所有上述分析,除庫恩茲和史蒂文斯與奧爾沃和納戈雷雅的分析外,均做了如下假設:被粘物與膠粘劑相比,其剛性是無限的。盡管在通常情況下,被粘物具有的彈性模量至少要比膠粘劑大一個數量級,但當接頭承受載荷時,在被粘物中總會有一些橫向應變。同樣,在載荷作用下被粘物界麵也難以保持為平麵,因為在膠粘劑中的應力不是均勻的。上述分析除庫恩茲和史蒂文斯所分析外,並沒有考慮膠粘劑中的徑向應力和周向應力。在庫恩茲等人的分析中,作了與實際不符的假設,即膠粘劑中軸向應力分布是均勻的。正如在扭轉試驗中的試件一樣,溢出的膠粘劑毛邊影響應力分布。但是,在上麵的所有分析中均沒有考慮到這一點。

亞當斯等人(1978年)研究了在拉伸和扭轉載荷作用下的實心體和環狀體的對接接頭,並對被粘物的柔性在膠粘劑毛邊中的作用進行了實驗。他們還使用了對高應力梯度範圍內的應力給出充分估計的結點拋物體等參數單元的有限元法。他們所得的結果僅局限於線彈性的鋁金屬被粘物和以環氧樹脂為基體的楊氏彈性模量、泊鬆比的膠粘劑的情況。他們所得的在扭轉條件下實心體對接接頭的結果。正如預測的那樣,應力從中心處的零值線性地增加到外側的最大值。所加扭矩的大小相當於在接頭外側所給出的單位剪應力值。然後,將相同扭矩加到類似的具有兩種不同尺寸膠粘劑毛邊的接頭上。在大部分粘接區內,沿膠層厚度方向上的剪應力不變化。由於溢出的膠粘劑毛邊造成了剪應力總水平的降低,且溢出的膠粘劑毛邊越大,所引起的應力下降也越大。但是,靠近接頭外側中心層上的剪應力減少,而在膠粘劑-被粘物的界麵靠近被粘物邊角上的剪應力卻增加相當大。由於存在著溢出膠粘劑毛邊,計算得到的最大剪應力(在外半徑上)要比沒有溢膠毛邊得到的應力至少髙出1.8倍。在溢膠毛邊中,不在膠層上的應力是非常低的,其平均剪應力小於沒有溢膠毛邊時最大剪應力的20。這表明,為有限元計算網格而假設的溢膠毛邊形狀並不重要。有溢膠毛邊和無溢膠毛邊的環狀對接接頭的剪應力分布。如實心體對接接頭,在沒有膠粘劑溢膠毛邊的接頭中,按扭矩比例給出了單位最大剪應力。同前述一樣,膠粘劑的溢膠毛邊在總體上減少了應力大小,但在靠近被粘物的邊角上也引起了應力集中。

實際上,大多數結構型膠粘劑,在剪應力作用下都顯示了值得重視的塑性變形,而且在扭轉載荷作用時很可能在靠近被粘物邊角上小部分體積的膠粘劑產生不會引起接頭過早破壞的屈服變形。然而,在扭轉條件下,溢膠毛邊也會使接頭得到加強,並由此造成對膠粘劑彈性模量的過高估計。除掉存留於試驗樣件上的溢膠毛邊,或許能克服這一缺點,盡管在“餐巾環”的內表麵去掉毛邊可能是困難的。

在拉伸條件下,通常是在假定被粘物為剛性,而且沒有溢膠毛邊的情況進行簡單分析的。由這種模型所產生的應力分布常使人造成誤解。膠粘劑-被粘物的界麵層上的軸向、徑向和周向上的應力。還繪出了剪應力。應當注意,中心層上的剪應力分布與采用剛性被粘物和用相同泊鬆比膠粘劑所得到的非常相似。

環狀對接接頭的剪應力分布應當看到,在周圍區域,沿著膠層厚度上的應力也有顯著的變化。在膠粘劑中心層的自由表麵(徑向應力為零的情況)上,正應力降到低值,而剪應力始終為零。

實心體對接接頭的應力分布(無膠粘劑毛邊,長度與半徑之比為20)然而,在膠粘劑-被粘物的界麵上存在有因材料不同而引起的應力集中。這與在剛性被粘物之間膠層的情況不同。這方麵由本瑟姆和明德霍德對兩個剛性板之間的圓柱體壓縮的研究表明,在被粘物-膠粘劑界麵層的圓柱體表麵上有一個應力異常。在膠粘劑和有限剛度的被粘物間的界麵上,其應力集中可能是有限的。如果被粘物具有與膠粘劑相同的剛度(即均勻的杆),就不會出現應力集中,如果此後被粘物剛度是逐漸地增加,則直到被粘物的剛度變為無限大,應力集中未必會變成無限的。由於有較高的應力梯度,要確定出應力集中是困難的。但從位移梯度曲線計算的~應力集中至少為2.5。