胶接接头残余热应力分布的数值研究

摘要

本文采用有限元法，以单搭接接头及其搭接区为主要的研究对象，以优化接头应力分布、提高接头的强度为目标，对胶接接头的残余热应力分布、影响因素及调控措施进行研究，得出了如下主要结论：
　　 1)利用复合材料补片模型(Baker模型)，得到胶接接头搭接区残余热应力的理论计算公式；建立残余热应力理论计算模型，推导出模型的残余热应力解析解公式。
　　 2)概述残余热应力研究所用有限元方法，建立胶接接头残余热应力分析有限元模型。利用ANSYS直接耦合方法，计算搭接区温度从胶粘剂常用固化温度80℃降低到20℃时搭接区的残余热应力分布，胶层中轴向残余热应力值为5.5Mpa，与理论计算值吻合。
　　 3)采用ANSYS概率设计PDS 模块，采用蒙特卡罗抽样方法，确定影响胶接接头性能诸多因素中对残余热应力影响最显著因素：①温度升降过程；②温度差；③胶粘剂弹性模量；④异质被粘物；⑤被粘物界面粗糙度。并将以上因素作为本文详细研究对象。
　　 4)研究升温、降温过程搭接区中的应力分布规律，结果表明：胶层应力升温过程为压缩应力，而降温过程为拉伸应力。在相同温度幅值的变化条件下，拉伸应力比压缩应力值大，胶接接头在降温过程产生的残余热应力对接头强度影响更大。
　　 5)研究不同温度差加载情况对搭接区中残余热应力的分布影响，结果表明：
　　 温度变化对胶接接头轴向残余热应力的分布影响大。温差越大，胶层和界面中的残余热应力越大。残余热应力与温度变化的比值，同有限元计算结果比较，得出跟实际情况更相符的理论计算公式。固在胶接接头制备和使用中，需采用合适的固化温度和使用温度，减小温度差值大小，能有效的控制残余热应力，提高接头的使用寿命。
　　 6)研究了胶粘剂弹性模量对胶接接头残余热应力的影响，结果表明：胶粘剂弹性模量对胶接接头残余热应力分布有显着的影响，随着弹性模量的增大，应力值增大。
　　 搭接区端部的各应力分量也随弹性模量的增大而增大，建议在温度变化较大的环境中使用胶接接头时，应当采用较低低弹性模量的胶粘剂，能有效的降低残余热应力。
　　 7)研究异质被粘物胶层以及界面的残余热应力分布情况，得出以下结论：上下被粘物采用相同材料时，胶层中的残余热应力大小主要取决于所选胶粘剂和被粘物的线膨胀系数差值。温度载荷下，异质被粘物接头中上下被粘物收缩量不一致，两被粘物通过胶层互相约束对方的变形，导致胶接接头中的残余热应力增大。
　　 8)改变界面幅值A和单峰间距S，分析被粘物的不同形貌对残余热应力分布的影响，得到以下结论：界面形貌对热应力分布的影响显著，正弦波形界面被粘物胶接接头中，形貌的凸起部分出现较大的应力峰值，对于系统来说是一个较为危险的区域。
　　 被粘物界面幅值A 对残余热应力影响显著，影响胶接接头的填胶量，幅值越大，胶层越薄，导致温度载荷下的变形阻碍增大，接头中的残余热应力增大。比较幅值与单峰间距的影响，幅值较单峰间距对残余热应力影响更显著。借鉴热障涂层系统热应力研究方法，将凸起部分的尖点进行光滑处理，可以有效的改善接头中的残余热应力的分布，避免出现应力集中。
　　 9)研究了5种不同的胶接接头约束方式对残余热应力分布影响，得出以下结论：
　　 胶接接头在使用和制备固化时，不同的边界约束方式对接头中的残余热应力形成有很大的影响。约束方式的不同，会不同程度的阻碍接头温度载荷下的变形，导致在接头内产生残余应力。接头在温度变化过程中，对其约束的自由度越少，因温度变化产生的应力就能越有效的释放，在接头中的残余热应力就越小。
　　 10)胶接接头各层材料的热物性差异、材料性能的差异，在热循环过程中产生热应力，研究得到以下结论：胶层中的残余热应力随温度的循环变化而相应的变化，胶粘剂处于弹性变形阶段，其应力应变关系为(公式略)。
　　 11)研究了残余热应力与机械载荷作用下的工作应力叠加对胶接接头的应力分布影响，分析残余应力符号、方向及分布情况，判断其对接头强度产生的不同影响，结果显示：胶接接头在降温时所产生的残余拉应力，同接头承受拉伸外载时所产生的拉伸应力叠加，导致接头中的应力值增大，对接头承载能力有较大的影响。端部的应力集中峰值由不考虑热应力的7.48Mpa 增大到考虑热应力的12.2Mpa，搭接区中部的轴向应力由0.2Mpa 增大到5.5Mpa。