胶接接头的设计优化方法

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：应遵循以下一些基本原则：1）合理增大胶接面积，以提高接头的承载能力。所以，将胶接接头设计成受剪切状态的搭接形式最为合理。图4-6-5 T形接头及改进方式尽量避免应力集中胶接接头是结构上不连续的部分，通过它把应力从一部分传递到另一部分。胶接接头是由许多部分组成的，它们的物理性能和力学性能差别较大，因此在不同环境和承受载荷时应力分布非常复杂，很容易造成应力集中。

1.基本原则

胶接工艺过程比较复杂。这种连接方式具有其鲜明的优点，但也存在许多弱点，因此，在设计胶接接头时必须注意发挥其长处，克服其不足。应遵循以下一些基本原则：

1）合理增大胶接面积，以提高接头的承载能力。

2）除橡胶类胶粘剂外，大多数胶粘剂的抗拉强度（或均匀扯离）和抗剪强度较高，而剥离和不均匀扯离强度较低。在设计接头时，应使受力方向在胶接强度最大的方向，要尽量减少或降低胶层承受的剥离和劈开应力，并尽可能避免应力集中。

3）应保持胶层的连续性和合理的厚度，避免局部欠胶。

4）尽可能简化胶接工艺。

5）综合考虑接头的受力形式和环境条件。

2.胶接接头设计的几个重要问题

实际使用中胶接接头形式很多，但都可简化为端接（包括对接和搭接）接头、角接接头、T形接头和面接接头四种基本形式，如图4-6-1所示。

图4-6-1 胶接接头的基本形式

a）端接接头 b）角接接头 c）T形接头 d）面接接头

实际使用中胶接接头受力状态比较复杂，为了分析方便可把它们简化为剪切、拉伸、不均匀扯离和剥离四种典型的受力形式，如图4-6-2所示。

图4-6-2 胶接接头的典型受力形式

a）剪切 b）拉伸 c）不均匀扯离d）剥离

不同胶接接头承受各种应力的能力是不同的，且受许多因素的影响，因此设计胶接接头时必须注意以下几个问题：

（1）尽量将接头设计成受剪切状态受力分析和试验表明，对接接头和搭接接头的承载能力较好。对一般胶粘剂而言，对接接头的承受的拉力为等面积搭接接头承受剪切力的2～6倍，是不均匀扯离的5倍，是剥离力的50倍；搭接接头的剪切力是不均匀扯离力的3～20倍，是剥离力的30倍以上。因此，无论什么情况下，都应避免将胶接接头设计成受不均匀扯离和剥离载荷的形式，而应设计成受拉伸和剪切的对接和搭接形式。就对接和搭接而言，实际应用中多采用搭接形式，这是因为对接接头的胶接工艺和制造较困难，除非被粘材料为很厚的板材或很粗的棒材，一般对接时很难保证载荷完全垂直于胶接面，导致载荷转变成不均匀扯离或剥离状态，从而使接头容易破坏。所以，将胶接接头设计成受剪切状态的搭接形式最为合理。以下举例说明几种接头的设计改进方式：

1）对接接头的改进方式，对接接头的胶接面积小，除拉力外任何方向的力都容易形成不均匀扯离力而造成应力集中，所以胶接强度很低，一般不采用。必须采用时要将对接接头进行适当改进，如图4-6-3所示。

2）角接接头的胶接面积小，并且所受的是不均匀扯离力，强度较低，应避免采用，必须采用时应采取一定的改进措施，如图4-6-4所示。

图4-6-3 对接接头及改进方式

图4-6-4 角接接头及改进方式

3）T形接头的胶接强度也较低，一般也不允许使用，必须采用时应进行改进，改进方式如图4-6-5所示。

图4-6-5 T形接头及改进方式

（2）尽量避免应力集中胶接接头是结构上不连续的部分，通过它把应力从一部分传递到另一部分。胶接接头是由许多部分组成的，它们的物理性能和力学性能差别较大，因此在不同环境和承受载荷时应力分布非常复杂，很容易造成应力集中。

图4-6-6为典型的搭接接头。

从理论上讲，当接头上作用一个拉力或压力F时，胶接面主要承受剪切应力，但实际上，力的作用线不可能恰好在胶缝平面，从而产生一个弯矩作用在接头上，使被粘件发生变形，被粘件端部变形最大，这样，胶接面不但承受剪切应力而且承受垂直于胶接面的拉应力，应力在胶缝端部最大，从两端往中间逐渐减小，端部的应力集中会产生严重的不均匀扯离或剥离，使胶接强度降低。下面公式给出了接头的剪切应力集中系数n（最大应力/平均应力）：

图4-6-6 典型的搭接接头

式中 l——搭接长度（mm）；

δ₁，δ₂——两被粘物厚度（mm）；

G——胶粘剂剪切模量（GPa）；

E₁，E₂——两被粘物模量（GPa）。

从上式可以看出，G、E₁、E₂和d可视为常数，而影响应力集中系数的参数为搭接长度l和被粘物厚度δ₁、δ₂。增加搭接长度会增加胶接面积从而增加接头的承载能力，但随着l的增加，应力集中系数也会增大，又使承载能力下降，因此当搭接长度增加到一定程度后，再增加搭接长度对提高接头承载能力效果就会大大减小，而只会增加应力集中系数。

总之，理论分析和实验表明，减小胶接面应力集中可采取以下措施：

1）在一定范围内减小搭接长度。

2）在一定范围内增加被粘物宽度。

3）采用刚度不大于被粘物刚度的胶粘剂，胶层要有适当的厚度。

4）尽量采用热膨胀系数相近的胶粘剂和被粘材料，减小内应力。

5）采用恰当的胶接工艺，避免胶层缺陷。

胶接接头的设计优化方法

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