胶接接头拉剪强度影响分析范文

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《上海交通大学学报》2015年第十期

近年来，随着车身用结构型胶粘剂的发展，胶接技术已逐步受到重视［1］，许多汽车制造企业都在车身连接中不断增加结构胶接的比例［2］．因此，如何使得胶接强度满足实际要求并建立统一的胶接接头强度评价标准，是目前汽车制造企业相关部门关注的主要问题之一［3］．然而，在车身装配制造过程中，胶层属性及其尺寸、钢板的属性及厚度等因素的变化将对胶接接头强度造成影响，从而降低胶接接头的质量［4－8］．因此，如何量化分析这些因素对胶接接头强度的影响，对于汽车车身的结构设计和制造质量都具有重要意义．目前，普遍使用的胶接强度评价指标是接头拉剪强度．研究表明，胶层和钢板的材料特性、几何因素的变化将对接头拉剪强度造成影响．例如，当胶层厚度增加时，胶接区域的内应力将明显增大，造成了接头拉剪强度的下降［4］；当胶层宽度和钢板厚度增加时，胶接区域的承载能力增大，使得接头拉剪强度增加［5－6］；而在接头的拉剪变形过程中，胶层与钢板的搭接边缘处为明显的应力集中区域，接头断裂将由应力集中区域向胶层内部扩展［7］．但是，相关的研究大多集中于单一因素对接头拉剪强度的影响．若要考虑实际的车身装配过程中胶层和钢板的材料特性、几何因素对胶接接头变形和胶层内部应力分布的影响，需建立综合考虑多因素变化的接头拉剪强度量化模型，为此，本文采用有限元法预测胶接接头拉剪过程中的胶层内部应力变化规律，建立了胶层和钢板的材料特性、几何因素与接头拉剪强度之间的响应面模型，分析了胶层和钢板的材料特性、几何因素对接头拉剪强度的影响．

1响应面模型建立

1．1胶接接头拉剪强度的确定为研究胶接接头拉剪强度的变化情况，本文制作了单搭胶接接头试样，其原料采用美国陶氏公司的Dow1486型韧性结构胶和上海宝山钢铁集团公司产SECC型电镀锌低碳钢板．具体制作过程如下：采用洁净布将厚度t2＝1．2mm的电镀锌低碳钢板表面擦拭干净，用喷枪将韧性结构胶（其中加入直径0．25mm的玻璃微珠以保证胶层厚度）均匀涂敷在钢板表面，将另一块同样厚度的洁净电镀锌低碳钢板均匀压盖在涂好的胶层上面；将其放入FD115型热风循环烘箱中于180°C下烘烤固化30min，再冷却至室温后取出，用于胶接接头的拉剪强度测试．固化后的胶接接头拉剪试样几何尺寸如图1所示［9］．胶接接头拉剪强度取决于拉伸过程中胶层与钢板断裂分离时刻胶层内部所承受的最大应力［5］，但采用传统的实验测试方法较难确定，为此，本文采用有限元模型（FEM）分析拉剪过程胶层内部的应力变化规律，以获取断裂时刻的胶层内部最大应力．模型的几何尺寸和材料性能参数与实验所用一致，从陶氏公司和上海宝山钢铁集团公司的材料说明书［10］中获得，分别如图1和表1［10］所示．有限元网格划分采用二维八节点平面单元，网格尺寸62．5μm．模型两端采用38mm的y向自由度约束，左端由x向自由度约束，右端施加x向的均匀线载荷．采用最大主应力法则评价胶接接头的拉剪强度．图2所示为拉剪过程胶层与钢板间的应力σ变化云图．可以看出，在胶层与钢板的接触边缘出现了应力集中．根据最大主应力法则，此时的胶层开始破坏，并产生初始裂纹且向胶层内部扩展，使得接头拉剪强度下降．随着变形的增大，裂纹扩展速度加快，易产生粗糙表面和羽毛状纹理。在仿真计算中，当施加的拉力为7．8kN时，胶层与钢板接触区域的最大应力将达到胶层的极限抗拉强度37MPa，此时，胶层出现断裂分离．由此预测出本文采用的拉剪接头试样所能承受的最大拉剪强度（拉剪力）为7．8kN．另外，由图3中拉剪力F与位移s的变化曲线也验证了有限元模型的正确性．因此，以下将有限元模型所获胶层内部最大应力作为拉剪强度的评价指标．

1．2影响因素的确定胶层和钢板的材料特性、几何因素的变化，将对胶接接头拉剪强度造成影响．其中，胶层宽度在实际生产中一般设定为固定值（本文设为11mm）．因此，响应面模型的主要影响因素分别为胶层的屈服强度σs1和厚度t1、钢板的屈服强度σs2和厚度t2．为了确定上述影响因素的变化范围，本文基于已建立的响应面有限元模型分析单因素对胶层内部最大应力σmax的影响规律．维持钢板厚度1．2mm不变，当钢板屈服强度σs2＝300，600，900MPa时，胶层的厚度和屈服强度对胶层内部最大应力的影响情况如图4所示．可以看出：当钢板屈服强度增加时，胶层内部最大应力减小，且在σs2＝300～600MPa时的影响较为显著；而胶层厚度则存在一个影响胶层内部最大应力的临界值，即当t1高于或者低于临界值0．175mm时，都将使得胶层内部最大应力增加．胶层内部最大应力与胶层屈服强度呈负相关线性关系，其斜率几乎不受钢板屈服强度的影响．维持σs2＝600MPa不变，钢板厚度分别取1．0、1．2、1．4mm时，胶层的厚度和屈服强度对胶层内部最大应力的影响情况如图5所示．可见：当钢板厚度增大时，胶层内部最大应力减小；同时，钢板厚度对胶层厚度的临界值也有明显影响，即随着钢板厚度增加，胶层厚度的临界值变大；胶层内部最大应力与胶层屈服强度呈负相关线性关系，其斜率受到钢板厚度的影响．

1．3响应面模型建立4因素的二阶响应面采用不完整二次型，至少需要进行14组实验，本文共进行了15组实验．对于每组实验，通过数值仿真计算所得胶层内部最大应力σmax见表3．

2基于响应面模型的胶接强度分析

2．1主要因素的响应面分析在σs1＝27．5MPa时，次要因素x1＝0，x2、x3和x4的四维分析结果如图7所示．由垂直于x2轴的2个平面可以看出，钢板厚度的增加可使σmax降低，而钢板屈服强度则存在一个最佳的临界值，使得σmax最小（具体值），该临界值的大小受到胶层厚度x2和钢板厚度x4的影响．由垂直于x3轴的2个平面可以看出，胶层厚度x2也存在一个最佳的临界值，使得σmax最小．

2．2次要因素的响应面分析

可以看出，σmax与胶层屈服强度x1呈线性关系，其斜率受其他3个因素的影响，其他3个因素越大，斜率越大．当k＝0时，其斜率为0，σmax与x1无关；当k＜0时，其斜率为负，且随着胶层屈服强度增大，σmax减小；当k＞0时，其斜率为正，且随着胶层屈服强度减小，σmax减小．

3结论

（1）在胶接接头的拉剪过程中，胶层与钢板的接触界面边缘出现了应力集中，裂纹首先从胶层中靠近界面的边缘产生，胶层内部最大应力可以反映接头拉剪强度的变化情况．（2）胶层内部最大应力与钢板厚度呈负相关关系．胶层厚度和钢板屈服强度均存在一个临界值，使得胶层的内部最大应力最小，三者的最佳参数组合为胶层屈服强度489MPa，胶层厚度0．214mm，钢板厚度1．4mm．（3）胶层内部最大应力与胶层屈服强度呈负相关线性关系，其斜率受到胶层厚度、钢板的厚度及屈服强度的共同影响．

作者：杨飒 张延松 单位：上海交通大学 上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室