焊点间距对胶头应力和强度的影响

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1、焊点间距对胶头应力和强度的影响胶焊是将电阻点焊（或凸焊）技术与胶接相结合的复合连接技术［1］，在航空、航天和汽车工业中得到了广泛应用。如一种运输机的机身、口盖、油箱及一种低空支援战斗机的许多部分都采用了胶焊工艺［2］；我国在这方面的研究和开发工作也已取得进展［3］。对胶焊结构力学行为的研究，已得到了国内外学者的广泛关注。已有不少关于单焊点胶焊搭接接头的试验及数值分析工作［4,5］，而对多焊点结构中焊点间距对结构力学行为影响，尚很少有研究的报道。焊点间距是胶焊结构设计和制造中一个重要的几何参数，合理的焊点间距的选取，可使焊接结构同时满足对生产经济性和使用可靠性的要

2、求。为此，本文拟采用有限元数值分析方法和试验研究方法，对单列多焊点胶焊接头进行研究，考察采用两种不同弹性模量的胶粘剂时，焊点间距对接头中应力应变场和断裂强度的影响规律。1接头的形状尺寸与有限元网格划分1.1接头的形状尺寸单列多焊点胶焊搭接接头的外形尺寸如图1所示。试件两端承受均匀拉伸剪切载荷。母材为08Al汽车用深冲钢板，宽40mm，厚1mm。为同时考察胶粘剂弹性模量对接头中应力应变分布的影响，采用了高弹性模量的环氧树脂基胶粘剂和低弹性模量的丙烯酸酯胶粘剂，胶层厚度为0.4mm。接头搭接区长度为40mm，直径5mm的焊点沿Y向等距离排列。本研究选取焊点间距a为1

3、0mm,20mm,30mm,40mm和50mm五种，研究两种胶焊接头中的应力应变分布。图1单列多焊点胶焊试件的形状和尺寸(mm)1.2接头的有限元网格划分对图1所示的多焊点胶焊接头，当试件Y向很长时，在均匀的拉伸剪切作用下，接头中各焊点受力情况相同，同时由于某一焊点关于X方向的直线对称，所以只需考虑其中的一半即可。图2给出了焊点间距a=40mm时试件的有限元网格划分情况，此时网格Y向总宽度为20mm。采用三维八节点块单元，上、下板及胶层均分作两层，焊点和搭接区边缘处网格细分，网格中最小尺寸为0.15mm。分析中对胶焊接头试件作了适当简化，认为结构连接完好，胶层与

4、母材结合界面上不存在缺陷，也没有计入电极压痕的影响。计算模型中考虑了焊点区的力学性能不均匀性，认为熔核与母材具有不同的力学性能，由于热影响区范围较小，计算中假定其具有与熔核相同的力学性能。计算模型中各材料的力学性能参数列于表1。采用双线性应力应变曲线描述材料的弹塑性性能。采用ALGOR非线性有限元结构分析程序，计算了在135MPa名义应力作用下各接头中的应力应变场。图2试件的有限元网格划分（a）整体有限元网格；（b）搭接区有限元网格表1有限元分析中所用材料的力学性能2胶焊接头的应力应变分布2.1环氧树脂基胶粘剂的胶焊接头计算结果表明，五种焊点间距下胶焊接头中的应

5、力应变相近，为清楚起见，仅给出a=10mm，30mm和50mm三种情况的应力应变分布。图3为采用高弹性模量的环氧树脂胶粘剂时，三种接头中钢板与胶层结合面附近，胶层中应力应变在X方向上的分布。图3不同焊点间距的环氧树脂基胶粘剂胶焊接头搭接区中的应力应变分布（a）正应力；（b）剪应力；（c）正应变；（d）剪应变由图3a中搭接区正应力σx在X方向的分布可知，三种焊点间距的接头中，正应力的分布趋势基本相同。焊点区应力远高于胶层中的正应力，焊点边缘没有正应力集中焊点中心正应力最高；胶层中应力基本均匀分布，在搭接区左右两边缘处略有上升。随着焊点间距的增加，焊点内部的正应力略

6、有减小，胶层中的正应力值基本不变化。图3b剪应力τzx在X方向的分布表明，各接头中焊点边缘存在剪应力集中，右边缘为拉伸剪应力峰，左边缘为压缩剪应力峰；搭接区胶层的剪应力呈边缘大、中部小的分布趋势，搭接区左右两边缘附近区域，剪应力值最大。焊点边缘上的拉伸和压缩剪应力峰值都随焊点间距的增大而有所减小；搭接区边缘附近的最高剪应力随焊点间距的增大基本不变。正应变εx的分布如图3c所示。从中可以看到，整个搭接区中正应变都很小。胶层中正应变大于焊点区，搭接区右侧胶层的正应变高于左侧。在靠近焊点边缘和搭接区边缘的胶层处，正应变值都比较高，搭接区右边缘附近的正应变值最高。搭接区

7、边缘处的最大正应变随焊点间距的增加而略有增大。图3d为剪应变εzx的分布。可见剪应变值明显高于正应变值。搭接区中剪应变呈中部小、边缘大的分布趋势，表明剪应变主要分布在胶层区域，焊点区剪应变很小，焊点边缘没有剪应变集中，焊点内部剪应变均匀分布。焊点间距a从10mm增加到50mm，搭接区剪应变分布趋势不发生改变，搭接区边缘胶层的剪应变值略有增大。这一分析表明，采用高弹性模量胶粘剂时，在10～50mm内增大焊点间距，焊点区应力有所减小而搭接区边缘胶层中的应力应变仅略有升高，并不会明显减小接头的承载能力。此时采用较大的焊点间距减少焊点数量，对于节电和提高生产率具有积极的

8、意义。2.2丙烯酸酯胶粘