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摘要 本文考虑了胶层材料的弹-塑性行为，采用有限元方法，讨论了单搭接胶连结构中不同几何特征对胶接结构的应力和位移的影响，为胶接结构的设计和应用提供了参考依据。
关键词 弹-塑性行为 胶连结构几何特征 应力 位移
【分类号】：V262.413
1 引言
由于复合材料在航空工业上的广泛应用，使得胶接连接技术也变得越来越重要。胶接结构的应力分析问题也备受研究者的重视。胶接结构设计中的應力分布取决于胶接面的面积、搭接长度以及胶层厚度等因素。因此研究这些因素对胶接结构中应力分布的影响规律，对结构设计具有重要的意义。
目前的大部分分析模型仅仅考虑了胶层的剪应力的作用，而在实际胶接结构中，胶层具有明显的弹塑性性质，其对胶接结构的应力和位移具有明显的影响，因此考慮胶层材料的弹塑性性质，分析胶接结构不同几何尺寸下，胶接结构应力与位移的影响是十分重要的。
本文采用有限元方法，详细讨论了单搭接胶连结构在不同的几何特征参数下，胶层的弹塑性对胶接结构应力和位移的影响，对胶接结构的设计和应有具有一定的参考价值。
2 胶层弹塑性行为
胶层的剪切应力/应变关系，是分析胶接结构胶层应力分布的关键，胶层的应力/应变关系如图3所示[2]。在建立有限元模型时，采用胶层真实应力/应变关系曲线，分析相对困难，因此为了简化分析，采用胶层的弹-塑性模式曲线代替真实应力/应变关系曲线，如图1所示，能真实模拟胶层的弹塑性行为。
3 计算模型和材料性能
胶连结构有四种典型连接形式，本文以单搭接结构为例，采用了有限元分析方法，对胶接结构单搭接的情况进行了分析，分别讨论了胶层的几何参数对胶层应力和位移的影响。单搭接胶接结构的形状和尺寸示意图见图2所示。
在有限元模型中，上、下板和胶接件均采用三维实体单元，在结构的右端施加X、Y、Z三个方向的位移约束和转动约束，在结构的左端施加载荷，胶接件有限元模型如图3所示。计算过程中所用的材料的力学性能见表1。
4 胶层几何特征对胶层应力的影响
影响胶连结构的强度因素有很多，胶层的几何特征对胶连结构的影响尤为重要，是胶连结构设计的基本，因此分析胶层的几何特征对胶层应力的影响，对胶连结构的设计和应用具有一定的参考意义。
（1）胶层厚度固定搭接长度不同时
图4给出了再胶层厚度不变的情况下，改变胶层的搭接长度l=1.4mm，1.6mm，1.8mm，2.0mm四种情况下胶层的应力情况。
从图4中的曲线可以看出，在载荷作用下，胶层中剪应力沿搭接长度方向的分布是不均匀的，应力较大的位置主要集中在胶层两端，中间应力较低。另外，可以随着搭接长度的增加，胶接件承载能力逐渐提高，但当搭接长度达到一定值时，承载能力无明显提高。
（2）搭接长度固定时，胶层厚度不同
图5给出了搭接长度固定时，胶层厚度从h=0.125mm，0.15mm，0.175mm，0.2mm，0.225mm五种情况下胶层应力情况。
胶层厚度h对连接强度有一定影响。增加胶层厚度，可以减小应力集中，提高连接强度，但胶层厚度过大易产生气泡等缺陷，反而使强度下降，胶层薄则要求被胶接件间贴合度高，因此一般胶层厚度应限制在0.10～0.25mm。
5 总结
从前面的分析可以看出：
（1）胶层的搭接厚度和长度的增加将使得胶层应力降低，但是相对于增加胶层的搭接长度来说，增加胶层的厚度对胶层应力影响较大。
（2）胶层中剪应力沿搭接长度方向的分布是不均匀的，应力较大的位置主要集中在胶层两端，中间应力较低。
（3）胶层的长度和厚度在到达一定值的时候，对胶层应力没有明显影响，因此合理的设计适合的胶层长度和厚度是胶连结构设计的重点。
参考文献
[1]航空航天工业部科学技术研究院编. 复合材料设计手册[J]. 航空工业出版社. 1990， 12（1）：
[2]刘君伍 黄建云. 复合材料胶接接头传载力分析[J] 纺织高校基础科学学报. 2008， 3（1）： 113-116
作者简介：徐丹 （1983.7—）现为中航工业洪都650所强度设计研究部工程师。
关键词 弹-塑性行为 胶连结构几何特征 应力 位移
【分类号】：V262.413
1 引言
由于复合材料在航空工业上的广泛应用，使得胶接连接技术也变得越来越重要。胶接结构的应力分析问题也备受研究者的重视。胶接结构设计中的應力分布取决于胶接面的面积、搭接长度以及胶层厚度等因素。因此研究这些因素对胶接结构中应力分布的影响规律，对结构设计具有重要的意义。
目前的大部分分析模型仅仅考虑了胶层的剪应力的作用，而在实际胶接结构中，胶层具有明显的弹塑性性质，其对胶接结构的应力和位移具有明显的影响，因此考慮胶层材料的弹塑性性质，分析胶接结构不同几何尺寸下，胶接结构应力与位移的影响是十分重要的。
本文采用有限元方法，详细讨论了单搭接胶连结构在不同的几何特征参数下，胶层的弹塑性对胶接结构应力和位移的影响，对胶接结构的设计和应有具有一定的参考价值。
2 胶层弹塑性行为
胶层的剪切应力/应变关系，是分析胶接结构胶层应力分布的关键，胶层的应力/应变关系如图3所示[2]。在建立有限元模型时，采用胶层真实应力/应变关系曲线，分析相对困难，因此为了简化分析，采用胶层的弹-塑性模式曲线代替真实应力/应变关系曲线，如图1所示，能真实模拟胶层的弹塑性行为。
3 计算模型和材料性能
胶连结构有四种典型连接形式，本文以单搭接结构为例，采用了有限元分析方法，对胶接结构单搭接的情况进行了分析，分别讨论了胶层的几何参数对胶层应力和位移的影响。单搭接胶接结构的形状和尺寸示意图见图2所示。
在有限元模型中，上、下板和胶接件均采用三维实体单元，在结构的右端施加X、Y、Z三个方向的位移约束和转动约束，在结构的左端施加载荷，胶接件有限元模型如图3所示。计算过程中所用的材料的力学性能见表1。
4 胶层几何特征对胶层应力的影响
影响胶连结构的强度因素有很多，胶层的几何特征对胶连结构的影响尤为重要，是胶连结构设计的基本，因此分析胶层的几何特征对胶层应力的影响，对胶连结构的设计和应用具有一定的参考意义。
（1）胶层厚度固定搭接长度不同时
图4给出了再胶层厚度不变的情况下，改变胶层的搭接长度l=1.4mm，1.6mm，1.8mm，2.0mm四种情况下胶层的应力情况。
从图4中的曲线可以看出，在载荷作用下，胶层中剪应力沿搭接长度方向的分布是不均匀的，应力较大的位置主要集中在胶层两端，中间应力较低。另外，可以随着搭接长度的增加，胶接件承载能力逐渐提高，但当搭接长度达到一定值时，承载能力无明显提高。
（2）搭接长度固定时，胶层厚度不同
图5给出了搭接长度固定时，胶层厚度从h=0.125mm，0.15mm，0.175mm，0.2mm，0.225mm五种情况下胶层应力情况。
胶层厚度h对连接强度有一定影响。增加胶层厚度，可以减小应力集中，提高连接强度，但胶层厚度过大易产生气泡等缺陷，反而使强度下降，胶层薄则要求被胶接件间贴合度高，因此一般胶层厚度应限制在0.10～0.25mm。
5 总结
从前面的分析可以看出：
（1）胶层的搭接厚度和长度的增加将使得胶层应力降低，但是相对于增加胶层的搭接长度来说，增加胶层的厚度对胶层应力影响较大。
（2）胶层中剪应力沿搭接长度方向的分布是不均匀的，应力较大的位置主要集中在胶层两端，中间应力较低。
（3）胶层的长度和厚度在到达一定值的时候，对胶层应力没有明显影响，因此合理的设计适合的胶层长度和厚度是胶连结构设计的重点。
参考文献
[1]航空航天工业部科学技术研究院编. 复合材料设计手册[J]. 航空工业出版社. 1990， 12（1）：
[2]刘君伍 黄建云. 复合材料胶接接头传载力分析[J] 纺织高校基础科学学报. 2008， 3（1）： 113-116
作者简介：徐丹 （1983.7—）现为中航工业洪都650所强度设计研究部工程师。