胶焊是将点焊技术与胶接技术结合使用的先进连接技术。胶接由于应力分布均匀 ,抗疲劳和耐腐蚀性能好以及重量轻等特点 ,并且适合不同材质、不同厚度、超薄规格和复杂构型构件的连接 ,最早作为高档技术应用在航空航天以及军工项目上 ,逐渐发展应用到机械、电子、轻工、纺织、建筑、化工、交通运输、医疗卫生、文化教育、农业等部门 ,现已与机械连接和焊接并列成为三大连接方式之一。而剥离强度差 ,老化寿命较低是胶接的薄弱点。与点焊结合后 ,提高了剥离强度等性能 ,同样克服了点焊易腐蚀和应力分布差的缺点 ,增加了寿命 ,相对可靠性得到了提高。 迄今为止 ,虽然对胶焊接头的力学性能已做了一些理论研究<1～ 3 > 、实验<4 ,5> 和有限元<6～ 8> 分析 ,但由于大多胶粘剂成分为高聚物 ,存在明显的时间相关的弹性和塑性 ,即粘弹性和粘塑性现象 ,直接表现为胶粘剂层的蠕变 ,对胶焊结构内的应力分布产生显著影响 ,因而有必要对其长时力学性能进行了解分析。国内外对胶接接头的蠕变行为进行过不少研究 <9> ,但对新兴的胶焊技术进行该类研究尚未见报道。本文采用三维粘弹塑性有限元分析方法 ,对胶焊单搭接头应力随时间的再分布进行了数值模拟。分析中以 Su<10 > 研究的环氧树脂 2 1号胶粘剂的粘弹塑性参数为例 ,结合常保华 <6>所研究接头的几何尺寸和材料参数 ,分析结果显示随着胶层的蠕变 ,接头中焊点边缘的应力逐渐增大 ,可以判断裂纹起裂应该在焊点与胶粘剂结合的界面附近。文章最后探讨了接头的材料选择与优化设计。1 粘弹塑性理论1 .1
粘弹性 粘弹性是聚合物材料力学性能的一个重要特性 ,理想的弹性固体服从虎克定律 ,在形变不大时 ,应力与应变成正比 ;理想的粘性液体服从牛顿定律 ,应力正比于应变速率。聚合物材料的力学行为强烈地依赖于温度和外力作用的时间 ,在外力作用下 ,聚合物材料的形变性质介于弹性材料和粘性材料之间 ,应力同时依赖于应变和应变速率。聚合物的这种兼有固体弹性和液体粘性的行为被称为粘弹性。 聚合物之所以具有这些特点 ,是由于聚合物由长分子链所组成 ,分子运动具有明显的松弛特征。不同种聚合物的力学性能的差异 ,直接与各种结构因素有关 ,除化学组成外 ,这些结构因素还包括分子量及其分布、支化和交联、结晶度和结晶形态、共聚方式、分子取向、增塑剂以及填料等。 基础的粘弹性描述采用弹簧 -粘壶模型 ,常用的有 : 麦克斯韦 (Maxwell)串联模型 : dεdt=1Edσdt+ση 沃格特 (Voigt)并联模型 : σ(t) =ε(t) E +ηdε(t)dt 在此基础上发展了多种普适模型——弹簧和粘壶单元的各种组合 ,以描述各种各样聚合物的行为 ,诸如三元件模型、麦克斯韦 -威切尔特(Maxwell- Weichert)模型、沃格特 -凯尔温(Voigt- Kelvin)模型等 <11> 。描述实际高聚物的模型应该是弹簧和粘壶单元的各种组合 ,这样的模型将具有许多个松弛时间和推迟时间 ,从而形成一个不连续的谱 ,称之为离散松弛时间谱和离散推迟时间谱 <12 > 。1 .2
粘塑性 对于金属材料 ,普通塑性 (与应变率无关 )行为仅仅是低温状态下粘塑性的一种近似处理 ,在现实生活中 ,由于晶粒位错引起的塑性流动即使在低温下也不是真正的与应变率无关的 ,因而材料粘塑性现象是很普遍的。 时间相关的塑性理论 (粘塑性 )最早可追溯到1 871年的 Barré de Saint- Venant,但真正在本构方程中考虑进时间因素也就是近几十年的成果 <13 > 。 Zienkiewicz<14 > 在 Bingham材料模型的基础上作一定的修正后提出粘塑性模型。当描述与时间无关的稳定状态时 ,其粘塑性模型模型便演化成问题的塑性解 ;而对另一特殊情况 ,将门槛应力降到零 ,模型便可演化成蠕变解 ,因此该材料模型可以广泛地应用于材料非线性行为模拟。有关粘塑性理论详细资料可参阅文献 <15>。 Zienkiewicz粘塑性模型中采用的屈服条件为 :F(σ,k)≡ F(σ,k) - Y(k) =0 ,其中 Y为屈服应力 ,k为应力软化因子。因此在 F <0时为纯弹性区 ,而 F >0时应变速率是 F的函数。在粘塑性应变的定义中 ,Zienkiewicz借鉴了经典塑性理论中的塑性潜能 Q(σ)概念。 ddtεvp =ε.vp =γ <Φ(FF0) > Q σ 其中 ε.vp=γ<Φ(FF0) >n Q σγ为流动系数 ,与时间、应变量等状态变量有关。不失一般性 ,粘塑性应变可采用幂指关系 ,则可得ε.vp=γ<Φ (FF0)>n Q σ,根据不同的材料 ,改变屈服条件和塑性指数基本能够描述其相关行为。2 有限元模型及材料参数 针对胶焊单搭接头进行蠕变应力再分布分析 ,试样尺寸如图一所示 ,试样两端受均布拉应力 ,大小为 1 2 5 MPa。考虑结构关于 X轴对称 ,沿X轴取一半进行有限元建模 ,施加以对称边界条件 ,有限元模型见图二 ,搭接区域和焊点附近的单元分布如图三所示。网格划分采用 2 0节点 Sol-id95三维实体单元。模型网格共含 2 6 2 9个单元 ,3 946个节点。图 1 有限元分析试件尺寸Fig.1 Shape and dimension of theanalyzed specimen 有限元建模过程中假设接头中胶接界面完好 ,无缺陷存在 ;焊核、热影响区具有相同的力学性能。蠕变分析中考虑了试样的几何大变形对应力研究的影响。母材、焊点和胶粘剂的材料性能参数见表一。表 1 接头相关的材料性能Table 1 Mechanical properties of the materialsMatrix E /MPaγσs/MPa Et/MPa G /GPa2 .0 E+ 5 0 .31 6 0 2 0 0 0 76Weldspot 1 .9E+ 5 0 .2 94 5 0 1 80 0 83.34Adhe-sive 6 6 0 0 0 .3890 5 0 0 1 .0 6 根据文献 7,胶粘剂 2 1号环氧树脂的蠕变性能的本构方程为 :ε.=ασln1 0 .t-1,其中 : a =7.5 0× 1 0 -5 0
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