论文部分内容阅读
粘结比传统的连接方法有众多的优点，被广泛应用于飞机、运载火箭、卫星和导弹等重要领域中。对粘结体系强韧和失效机制的研究，包括尺度效应的实验观测及表征，既是学术前沿，又是航空航天等高科技领域的重要需求问题。本文以金属/金属斜接粘结体系为研究对象，主要针对体系的强度和韧性、界面失效机制、失效强度和界面断裂能的尺度效应、胶层中的应力分布等问题开展了系统的实验及分析模型和数值模拟研究。主要研究工作和取得的成果如下: (1)本文在前人工作的基础上，为了消除矩形截面试样棱角应力奇异性效应，特别设计了铝合金圆棒搭配两种不同种类胶粘剂的试样，通过各种不同斜接角度和胶层厚度的组合，系统地进行了实验研究。研究发现硅橡胶试样主要表现出韧性破坏的特征，环氧树脂试样主要表现出脆性破坏的特征。薄胶层对应的接头失效载荷更高，厚胶层对应的接头失效载荷更低，失效载荷对于胶层厚度具有明显的尺度效应。同样胶层厚度的试样单位面积失效荷载近似相等。硅橡胶试样都发生胶内破坏，由剪切失稳引起的波纹状结构均匀地分布于整个粘结区域，环氧树脂试样主要发生混合破坏。 (2)为了对圆棒斜接试样进行力学机制的分解，我们认为斜接接头受轴向拉伸荷载作用时，胶层内的应力状态可近似被看作是垂直于粘结界面的单向拉伸和平行于界面的简单剪切的复合。通过引入平均应力和平均应变等概念，得到强度及失效面。对于给定的胶层厚度，不同粘结界面角度试样对应的平均失效应力近似在同一圆弧上，其半径随着胶层厚度增加而减小。这为金属/胶层粘结体系的强度预测提供了可方便应用的强度破坏准则。硅橡胶或环氧树脂斜接接头的强度是其对应胶粘剂标准试样最大拉伸或剪切强度的2～5倍，由于受金属被粘物的约束作用，胶层在铝合金之间发挥出比本身更强的承载能力。粘结界面的断裂能和体系的能量释放率都随着胶层厚度的增加而增加，随着粘结界面角度的增加而增加。失效强度和界面断裂能当胶层厚度在百微米量级时，表现出强烈的尺度效应。 (3)为了验证圆截面试样选取的合理性以及观察胶层中的应力分布，我们用商业有限元软件对对接接头和斜接接头进行了有限元模拟。用轴对称单元模拟的对接接头结果和用六面体单元模拟的斜接接头结果之间自成规律性，并且和实验结果吻合。模拟发现对接接头在界面边缘处有应力集中，胶层对称面外表面和胶层中间区域Mises应力值最小。发现在胶层外表面界面附近有应力的跳跃，应力跳跃的影响范围非常小（约为试样直径的1％）。斜接接头容易在粘结椭圆面长轴端部附近发生应力集中现象。斜接角度30°的模拟，粘结面上拉伸荷载的作用大于剪切荷载;斜接角度60°的模型，粘结面上剪切荷载的作用大于拉伸荷载，两个模拟应力集中的区域不同。两种模拟界面边缘处应力集中现象都不太明显，和矩形截面试样相比，有明显的优化。另外，试样中间区域应力值较小，实验中在胶层内放置铜丝控制厚度的做法，不会引起大的误差。 (4)建立了简单的理论模型，运用能量关系得到载荷-位移曲线和应力-应变曲线斜率的表达式。根据界面断裂能和能量释放率的数值关系，可以得到硅橡胶试样的模型预测斜率值，和实验结果高度吻合。环氧树脂试样只有很小一部分能量用于界面断裂，模型不能直接给出斜率结果。