胶瘤在胶接结构中应力分布的作用

徐喻琼

（三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

胶瘤在胶接结构中应力分布的作用

徐喻琼

（三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

对胶接结构中的胶瘤效应进行了综述，阐明了胶瘤能明显降低胶接结构中的应力峰值及位置，胶瘤的几何形状及材料属性的不同也会影响应力分布。胶接结构设计时，可以制作不同几何形状的胶瘤或人为制作其他材料的胶瘤来改善胶接结构的力学性能，提高结构的整体承载能力。

胶瘤；胶接结构；应力分布

胶接结构在减轻结构质量、提高飞机经济性上有显著的优势，在现代航空、汽车制造及电子行业中广泛使用，其力学性能分析是当前材料结构完整性评定的核心问题之一。胶接接头中载荷主要靠搭接区边缘2个极窄的区域进行传递，因此，胶接接头的形式引起了研究人员的重点关注[1]。Destuynder等[2]将单搭接胶接接头的端部型式分为方型、倒角型和胶瘤型。

图1 典型的胶接搭接接头形式Fig.1 Typical lap joint configurations [（a）方型；（b）倒角型；（c）胶瘤型]

在实际的胶接结构中，搭接区端头并不存在矩形棱边的胶层轮廓。被粘物叠合时，由于胶粘剂受到挤压溢出被粘物端部会形成胶瘤（也称为“毛边”）[3]。胶接接头通过机械方法在不损伤被粘物的情况下去除胶瘤是很困难的，而且机械加工还容易导致胶层初始裂纹的产生，特别是脆性高温胶粘剂，去除胶瘤对裂纹的影响更大。因此，胶瘤在胶接接头中是普遍存在的，本文对胶接结构中胶瘤效应进行综述，为胶接结构的设计提供一定参考。

1 胶瘤对应力分布的改善

单搭接胶接头是一种简单而典型的胶接结构，当接头承受拉伸载荷时在搭接区端部会出现比较严重的应力集中，从而降低单搭接头的强度和寿命[4]。导致应力集中的3个因素：一是被粘体的剪滞效应；二是加载作用线偏心引起的弯曲效应；三是胶层边缘自由表面的端头效应或胶瘤效应，即在搭接区端头附近存在最大应力。

1960年Hahn通过实验研究得到，胶粘剂的最大应力发生在胶接边缘，胶瘤对接头的应力分布产生重大影响。从20世纪80年代就有学者开始对搭接区端部的应力进行研究。虽然胶瘤的尺寸不大，但对降低搭接区端部的应力集中，提高结构强度和刚度有明显作用[5]。

对胶接接头进行力学理论研究时，许多学者借助于数学工具，利用数值方法实现了力学分析。在胶瘤的研究中，数值分析方法对解决工程实际问题非常有效，特别适于解决非线性材料问题和复杂不规则的几何形状等问题。Adams[6]采用二维有限元首次对胶瘤影响进行了分析，得出胶瘤可以改善胶接头应力分布的结论。Tsai[7]对比了层合复合材料在拉伸条件下有无胶瘤2种情况，通过实验和数值分析发现，胶瘤使得搭接区的端部剪切应力和剥离大大降低。Lang等人[8]运用二维弹性有限元法研究了胶瘤形状对单搭接接头胶层中剪切应力分布的影响，指出：一种能与被粘物外形光滑过渡的胶瘤外形可以明显降低被粘物/胶层界面上的应力集中，其原因是胶瘤能“进入”被粘物，同时增大胶瘤的尺寸也能降低应力峰值。

Grant[9]为了确定增韧环氧胶粘剂在汽车车身结构上应用的可行性，对单搭接接头进行了拉伸剪切、四点弯曲、三点弯曲实验，对搭接长度、胶层厚度、胶瘤进行了研究。随着胶层厚度的增加，45°胶瘤的接头（见图2）比无胶瘤更能承受拉伸，且胶瘤作用随厚度增加更明显。当胶层厚度为0.1 mm时，有无胶瘤对接头影响不大。当胶层厚度为3 mm时，无胶瘤接头的强度仅为有胶瘤时强度的一半。

图2 有胶瘤的单搭接接头Fig.2 Single-lap joint geometry with fillet

Salih[10]将承受弯矩的单搭接胶接接头分为无胶瘤、接头边缘处胶瘤、接头端部胶瘤、全边缘胶瘤4类，接头的剪切应力和von Mises等效应力沿宽度方向均衡，剥离应力在接头边缘的中部最大、端部最小。Ⅲ型和Ⅳ型接头搭接区的应力分布明显降低，接头端部的应力变化减小，胶瘤增加了接头的承载能力。

总的来说，胶瘤可以改善胶接结构的应力分布。在经典的单搭接接头中，拉伸荷载的作用下,力的流线在胶层中不是直线状,而是有一定的曲率，承受外载荷后接头的工作应力的力流线模型如图3所示，可见胶瘤的存在改变了力流线的传递方向，使力流线变得平滑,显然在被粘物拐角处应力集中比无胶瘤时要小[11]。

图3 单搭接接头上的力流线Fig.3 Force flow lines of single lap joints

2 胶瘤几何形状对力学性能的影响

胶接接头中，胶瘤位于搭接区末端，这个部位最易出现奇异应力，对胶接失效的预测起着重要作用[12]。在应力分析时，可以将胶瘤作为奇异点，应用边界元（BEM）方法来评价奇异点处的广义应力强度因子（GSIFs），进而预测胶瘤的几何形状对力学性能的影响。

王志勇[13]注意到复合材料单搭接头的端部包括胶瘤和毛刺，通过显微镜观察到构成接头的2块复合材料板的端部并不是平的，使得搭接区端部的结构更加复杂。

余海洲[11]研究了在胶瘤中嵌入三角形金属楔块对单搭接接头强度和应力分布的影响，结果表明，金属楔块能显著提高接头的强度。但三角形锲块入射角度的增大，接头强度提高幅度逐渐降低。

Matveenko[14]用线弹性理论计算了凸凹2种形状胶瘤的应力极值，在胶瘤处都有较大的应力。

Belinga等[15]研究了钢/FRP单搭接接头中斜切胶瘤的角度对剪切应力和剥离应力分量的影响，45°的胶瘤角度足以大幅降低应力峰值。在Belingardi的研究中胶瘤均取为满高，但在工程实际中，胶瘤自由外表面沿被粘物铺展、高度随溢出量变化的情况更多。

Deng[16]针对有碳纤维板和钢梁胶接结构，研究了有无胶瘤、碳纤维板锥度处理等8种几何条件下应力分布。研究表明，胶瘤对胶接端部应力的影响仅限于2倍板厚的范围。三角形全高、半高、全圆角的胶瘤对剪切应力影响相似，而对正应力的分布影响较大。

Goglio[17]以单接搭接接头对为对象，研究了胶接接头界面处奇异应力场的主要几何特征。为了更真实地反应胶瘤的形状，将胶瘤末端分为切线和曲线2种，如图4所示。图中γ2为胶瘤斜面与下被粘物的倾角，r为曲率半径。在相同应力状态下，比较胶瘤时，γ2值要取相同值。显然，切线胶瘤与下被粘物有更多的接触，会比曲线胶瘤占用更多的胶粘剂用量。但γ2是胶瘤的主要参数，对应力场有显著影响，而胶瘤形状的影响较小。当γ2从90°变化到60°时，应力减小了5倍，应力强度因子（SIF）明显增大。

3 胶瘤材料属性对力学性能的影响

图4 胶层端部的几何形状Fig.4 Geometrical details of edge of adhesive layer [（a）straight edge；（b）fillet edge]

游敏[18]将不同形状的金属锲块及金属丝放置在胶瘤中研究了单搭接接头的力学性能，结果表明，胶瘤改了接头的应力分布，金属丝胶瘤改变了接头的失效形式，从界面破坏变为内聚破坏。因此，在重要部件或承载较大等情况下使用胶接接头，建议采用金属镶嵌方式对接头增强，具有更强的承载能力和可靠性[19]。

严沾谋[20]利用弹塑性有限元法研究单搭接接头时发现，随着弹性模量的增加，接头的应力峰值逐渐增大，并由胶层向胶瘤转移，其刚度越大，应变越小。胶瘤的作用与胶粘剂的弹性模量直接相关。低弹性模量胶粘剂的接头，载荷主要由胶层承担，胶层受力很均匀，胶瘤的作用很小，胶瘤并没有大幅降低胶层中的应力峰值。高弹性模量胶粘剂的接头，胶瘤的作用很大，承担了很大一部分载荷，而胶层中部受力很不均匀。

赵波[21]在胶接有限元模型中用壳单元代表胶瘤，体单元代表被粘体和胶层，并用弹性理论建立壳单元等效厚度公式。5种载荷工况下的分析表明，壳单元等效厚度公式正确，胶接简化有限元模型精度高，可用于诸如汽车等大型结构中。用壳单元简单模型可定量分析胶瘤大小和形状对接头应力和总体刚度性能的影响。

Quaresimin[22]研究复合材料单搭接胶接接头时采用了无胶瘤和45°斜面胶瘤对比，随着胶粘剂的弹性模量和泊松比的增加，应力场的奇异度增加。弹性模量的影响在有无胶瘤2种情况下差异很大，无胶瘤时弹性模量的影响可以忽略，但有胶瘤时应力强度因子随弹性模量的增加而增大。

综上，除了利用溢出的胶粘剂制作胶瘤外，考虑运用预埋材料或换用其他材料改变胶瘤材料属性，进一步提高胶接接头的承载能力是行之有效的方法。

4 结语

胶接结构中，连接工艺中的压力导致搭接区端部的胶瘤在实际工程问题中普通存在，对胶接结构的应力分布产生重要的影响。胶瘤对应力分布的作用也依据具体的几何形状和材料属性而不同。

（1）胶瘤的存在对胶接结构的应力有显著影响，改善了应力分布，降低了应力集中，增加了接头承载能力。

（2）胶瘤几何形状对胶接结构力学性能的改进效果有差异。因此，实际生产中无需清除胶瘤，甚至可改善胶接工艺，根据生产条件和结构承载情况，促进胶瘤的形成，或引入其他材料人为制造胶瘤。

（3）胶接结构的失效研究传统上是单独对胶层和被胶接件分别失效处理，但对于有胶瘤的胶接结构的失效和断裂分析时，应在胶瘤处做奇异点处理。

[1]Adams RD.Adhesive bonding:science,technology and applications[M].Cambridge:Woodhead Publishing Limited,2005,15.

[2]Destuynder P,Micavila F,Santos A,et al. Some theoretical aspects in computational analysis of adhesive lap joints[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,1992,35(6):1237-1262.

[3]游敏,郑晓玲.胶接强度分析及应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2009,1-2.

[4]Adams R D,Wake W C.Structural adhesive joints in engineering[M].London:Chapman& Hall,1997,17-63.

[5]Crocombe A D,Adams R D.Influence of the spew fillet and other parameters on the stress distribution in the single-lap joint [J].Journal of Adhesion,1981,13(2):141-155.

[6]Adams R D,Peppiantt N A.Effect of poission's ratio strain in adherends on stresses of an idealized lap joint[J].Journal of Strain Anal, 1973,8(2):134-139.

[7]Tsai M Y,Morton J.The effect of a spew fillet on adhesive stress distributions in laminated composite single-lap joints[J].Composite Structure,1995,32(1-4):123-131.

[8]Lang T P,Mallick P K.Effect of spew geometry on stresses in single lap adhesive joints[J].International Journal of Adhesion & Adhesives,1998,18(3):167-177.

[9]Grant L D R,Adams R D,Lucas da,et al. Experimental and numerical analysis of single-lap joints for the automotive industry[J].International Journal of Adhesion&Adhesives,2009,29(4):405-413.

[10]Salih Akpinar,Muhammet Onur Doru,Adnan Ozel,et al.The effect of the spew fillet on an adhesively bonded single-lap joint[J].Composites:Part B,2013,55:55-64.

[11]余海洲,游敏,郑小玲,等.胶瘤中嵌入金属块对单搭接接头强度的影响[J].中国胶粘剂,2005,14(10): 20-23.

[12]A Russo a,B Zuccarello.Toward a design method for metal-composite co-cured joints based on the G-SIFs[J].Composites:Part B,2013,45(1):631-643.

[13]王志勇,王磊,郭伟.搭接区端部细观结构对受拉复合材料单搭接头力学响应的影响[J].复合材料学报,2009,26(3):182-187.

[14]Matveenko V P,Sevodina N V,Fedorov Yu.Optimization of geometry of elastic bodies in the vicinity of singular points on the example of an adhesive lap joint[J].Journal of Applied Mechanics and Technical Physics,2013,54(5):841-846.

[15]Giovanni Belingardi,Luca Goglio,Andrea Tarditi.Investigating the effect of spew and chamfer size on the stresses in metal/ plastics adhesive joints[J].International Journal of Adhesion&Adhesives,2002,22(02):273-282.

[16]Jun Deng,Marcus M K,Lee.Effect of plate end and adhesive spew geometries on stresses in retrofitted beams bonded with a CFRP plate[J].Composites:Part B,2008,39(4):731-739.

[17]Goglio L,Rossetto M.Stress intensity factor in bonded joints:Influence of the geometry[J].International Journal of Adhesion&Adhesives,2010,30(30):313-321.

[18]Min You,Yong Zheng,Xiaoling Zheng,et al.Effect of metal as part of fillet on the tensile shear strength of adhesively bonded single lap joints[J].International Journal of Adhesion&Adhesives,2003,23(5):365-369.

[19]朱定锋,游敏,郑小玲,等.含镶嵌块单搭接接头应力分布的数值分析[J].粘接,2009,30(8):53-55.

[20]严沾谋,游敏,余海洲,等.胶粘剂弹性模量对铝合金单搭接接头应力应变分布的影响[J].航空材料学报,2006,26(4):39-41.

[21]赵波,岳鹏,吕毅宁,等.一种考虑胶瘤的胶接简化有限元模型:应力与刚度分析[J].机械强度,2009,31(6):939-946.

[22]Quaresimin M,Ricotta M.Stress intensity factors and strain energy release rates in single lap bonded joints in composite materials [J].Composites Science and Technology,2006, 66(5):647-656.

Effect of spew fillets on stress distribution in bonded structures

XU Yu-qiong
(College of Mechanical and Power, Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China)

In the actual bonding structure, the adhesives squeezed at the end of bonded adherends are defined as the spew fillet. In this paper, the effect of spew fillets on the stress distribution was reviewed in the adhesive bonded structure. The spew fillets can significantly improve the stress distribution in bonding structure. Fillets can reduce peak stress and change the location. When the bonded structure is designed, the different geometries fillet, even artificially produced fillet, can improve the mechanical properties of bonding structure and significantly enhance the carrying capacity of the structure.

spew fillet; bonded structures; stress distribution

TG494

A

1001-5922（2016）06-0067-04

2016-04-11

徐喻琼（1974−），女，副教授，博士，从事复合材料连接和结构强度研究。E-mail：kexyq@qq.com。