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内聚力模型在结构胶接有限元分析中的应用

2026-04-01 19:10阅读：

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编辑：杭州那泰有限元分析公司 www.nataid.com
内聚力模型在结构胶接有限元分析中的应用
胶接技术是通过胶粘剂与被连接件之间的化学反应，或物理凝固等作用将材料连接在一起的连接技术，航空、航天和汽车工业中常用的钛合金、铝合金和钢铁材料的连接很多采用了胶接技术。除了用于结构连接外，胶接技术还可用于旧件修复、机械设备的密封等场合，也可用来弥补某些加工工艺中存在的缺陷。
胶接技术与其他连接相比具有自身的特点：可减少热应力和热变形；结构胶接受载应力分布比较均匀，易于提高疲劳寿命，尤其是薄板连接；方便减重；生产效率高；加工成本低。但胶接使用的粘接剂受温度的影响属性变化大；强度比焊接、铆接的低，特别是冲击强度和剥离强度更低，具有一定的局限性。胶接技术的研究工作已深入至金属材料与胶粘剂实现界面粘附的机理，并要求针对金属胶接结构的使用性能，进行金属胶接结构的力学分析和强度设计。
Goland和Ｒｅｉｓｓｎｅｒ对胶接搭接接头进行有限元分析
时，考虑了板在搭接区的弯曲效应；Ａｄａｍｓ和Ｐｅｐｐｉ-ａｔ对板胶接的弯曲、剪切和拉伸进行研究；Ｙａｎｇ和Ｐａｎｇ考虑了拉伸载荷与弯曲应力的耦合效应，提出了复胶接板中应力、应变计算的二维分析模型；Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ等采用内聚力模型方法计算胶接接头中的应力，得到了广泛运用。本文采用内聚力模型来模拟环氧树脂胶材料行为，分别用有限元方法及力学实验对胶接搭接接头分析，得到较好的结果，并将该方法运用于预测复杂结构铝管胶接接头强度。
近年来，内聚力模型在材料或结构断裂仿真中得到了广泛运用。内聚力(ｃｏｈｅｓｉｖｅｆｏｒｃｅ)实质上是物质原子或分子之间的相互作用力，内聚力模型只是一种简化，但通过选取适当的参数，可以反映出界面层物质的模量、强度和韧度等力学性质。由于多功能性，内聚力模型已应用在多个工程领域，如裂纹尖端的可塑性、静载或疲劳载荷下的蠕变性能、胶接接头和裂纹扩展等。
内聚力模型是由Ｎｅｅｄｌｅｍａｎ完善了初始分离到完全断开演化过程的理论框架，其核心思想是界面应力和界面相对位移有一定的函数关系，即内聚本构关系。其驱动应力/位移(Ｔｒａｃｔｉｏｎ-Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ)特征响应曲线与基体材料的性质，共同决定了断裂过程能量耗散的分配；内聚力模型采用一层内聚力单元来模拟粘结剂的作用，内聚力单元的变形遵守内聚本构关系。Ｔｒａｃｔｉｏｎ-Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ响应曲线如图所示，在受载初始阶段内聚单元应力随着相对位移的增加而增加，当相对法向位移为δ0ｎ(二切向位移为δ0ｓ，δ0ｔ)时，法向应力(二切向应力)将分别达到最高点σｍａｘｎ(τｍａｘｓ，τｍａｘｔ)。进入退化阶段后，随着相对位移的扩大，应力持续下降，直至为零。内聚力单元最终失效破坏时法向临界位移为δｍａｘｎ，二切向对应临界位移为δｍａｘｓ，δｍａｘｔ。
复杂结构中常见的裂纹形式是混合型裂纹，研究重点在于初始失效判断准则及失效扩展判断准则。初始失效判断常基于应力或应变，其中运用广泛的是二次应力准则：假设初始失效发生在三方向的应力率平方和为1时表达式为：σｎσｍａｘｎ2+τｓτｍａｘｓ2+τｔτｍａｘｔ2=1，式中σｎ，τｓ，τｔ分别为内聚力单元法向、切向一、切向二的应力；σｍａｘｎ，τｍａｘｓ，τｍａｘｔ分别为内聚力单元法向、切向一、切向二所能承受的最大临界应力。失效退化进程判断是在混合模式加载下，以能量准则作为判断混合模式失效的标准，Ａｂａｑｕｓ提供多种失效退化准则。本文采用Ｂｅｎｚｅｇｇａｇｈ和Ｋｅｎａｎｅ提出的Ｂ-Ｋ准则，其基于法向断裂能ＧＮ和切向断裂能ＧＳ、ＧＴ以及混合模式弯曲测试实验(ｍｉｘｅｄｍｏｄｅｂｅｎｄｉｎｇｔｅｓｔ)得到的材料常数η，Ｋ为单元界面刚度；δｍａｘｍ为在混合模式下单元最终失效破坏时对应的临界位移。进入失效退化后从0变化至1，完全失效为1，此时单元刚度完全从模型总体刚度矩阵中删除，意味着此处发生了断裂。
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