汽车钢板胶焊接头的计算模型及其应力场特征研究

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1、汽车钢板胶焊接头的计算模型及其应力场特征研究

2、第1第1Abstract　Basedonanalysisonthelocalstructureandthehardnessofodelisestablished.Atthesametime,discussionsaremadeonatypicalload-displacementcurveofodelestablished,stressfieldsoftheresistancespotadebyadhesivesodulushavebeenputedb

3、yfiniteelementmethod.Resultsconfirmthevalidityoftheputationalmodelinmodelingtheentmethod　putationalmodel　Stressfield　　摘要　基于对胶焊接头局部结构和硬度分布的分析，建立了胶焊接头的计算模型。同时，对胶焊搭接接头拉伸剪切试验的载荷€€位移曲线作了讨论。采用所建立的模型进行有限元计算，获得了两种弹性模量胶粘剂胶焊接头和单纯点焊接头的应力场，所得结果证实了计算模型模拟胶焊接头的有效性。　

4、　叙词：胶焊接头　有限元法　计算模型　应力场　　中图分类号：TG440　前言　　胶焊技术是将胶接与电阻点焊(或凸焊)技术相结合的新型复合连接方法。胶焊结构结合了电阻点焊和胶接结构的优越性，弥补了它们的不足，使胶焊结构同时具有优良的静强度、疲劳强度和持久性能。同时，胶焊技术在异质材料的连接上具有相当大的潜力，有可能实现用现有连接方法不能实现的某些材料的连接。因此，胶焊技术在航空、航天和汽车工业中获得了广泛应用［1］。　　由于胶焊技术出现较晚，胶焊工艺中还存在很多问题，胶焊接头的失效机理还不清楚，失效

5、准则还没有建立。目前，美、日、英、德等国材料界和工程界学者都积极开展了对胶焊技术的研究。胶焊接头中同时存在焊点和胶接层，对其力学行为的研究涉及到不同介质的界面力学、高分子合成物的破坏机理、高分子化学、固体力学等多个学科领域，胶焊接头的接合区很薄，很难进行试验应力分析。目前主要采用试验研究的手段，研究胶焊接头的强度特性，对胶焊接头进行的数值计算工作，还很少见到有关报道，已进行的少量数值计算工作也是初步的，不够深入和系统［2］。数值计算方法具有准确、高效和节省试验材料等优越性，对胶焊接头进行数学模拟和

6、计算工作对于胶焊接头的合理设计、胶粘剂材料的正确选择以及接头断裂机理和断裂准则的研究都具有重要意义。　　本文拟对胶焊接头的局部结构进行分析，在此基础上，建立适合于胶焊接头的有限元分析模型；比较研究单纯点焊接头和采用高、低弹性模量胶粘剂的两种胶焊接头的应力场，研究胶焊单搭接头中的应力场特征。1　胶焊接头的结构和硬度分布　　拉达伊［3］认为，点焊接头由母材、热影响区和熔核三部分组成。各组成区域具有不同的力学性能。热影响区范围内，焊点周围的自由裂缝面形成环形粘合面。胶焊中由于采用了胶粘剂，因此接头中还存

7、在胶层。已有试验表明［4］，熔核边缘附近约1mm的范围内，胶粘剂由于受点焊过程中的短时高温作用而发生炭化裂解，使这一区域的胶粘剂失效，不再具有承载能力。该失效区域在搭接区域中相当于一个内部环状裂纹，在垂直平板的外载荷条件下，相当于Ⅰ型裂纹，在外载作用下能够产生应力集中使裂纹扩展，对接头承载性能不利，分析胶焊接头结构时，不应忽略这一胶层损坏区。　　综合上述因素，胶焊接头的局部结构如图1a所示，其中de为电极压痕区域直径，dn为焊点熔核直径，dh为熔核周围热影响区的直径，da为环形粘合面直径，δ为胶层

8、厚度。不同材料的胶焊接头，接头区力学性能的变化趋势不同［5］。本文考察了采用08Al汽车钢板和SHA€€2858Ⅱ环氧树脂基胶粘剂制备的胶焊接头的硬度变化规律。图1b为所研究胶焊搭接接头中的硬度分布。从中可看出接头区力学性能存在明显变化。图1　胶焊接头组织结构和硬度分布2　计算模型和材料性能　　迄今为止，对胶焊接头进行弹塑性有限元分析的工作尚不多见，李春植等［6］对胶焊帽状结构的有限元分析中，有限元网格划分比较粗，忽略了胶焊接头结构组成的影响。由于胶焊接头与电阻点焊接头结构的相似性，对胶焊接头的有

9、限元计算，可参照已有的对电阻点焊接头的研究结果。已有的针对电阻点焊接头进行的有限元分析工作相对较多，但所建立模型作了过多简化和假设，不能很好地模拟实际结构。如在Radaj［7］和Hahn［8］所建立的点焊接头计算模型中，都没有考虑实际接头中存在焊核到母材的成分和力学性能不均匀性；Satoh等［9］所建立的有限元模型虽然考虑了接头力学性能的不均匀性，却忽略了两板间的分离和电极压痕，使模型刚度比实际接头刚度增大，实际点焊单搭接头中的弯曲现象，说明计算中不考虑两板间的分离是不合理的。