扭矩作用下盤狀膠焊結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布研究

游 敏，徐建軍，黃才華，李瑩瑩

（三峽大學(xué)水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

扭矩作用下盤狀膠焊結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布研究

游 敏，徐建軍，黃才華，李瑩瑩

（三峽大學(xué)水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

用彈塑性有限元法研究了盤狀結(jié)構(gòu)在扭矩作用下的應(yīng)力分布，對(duì)比分析了點(diǎn)焊和膠焊結(jié)構(gòu)中位于中心線上、界面附近的徑向應(yīng)力和等效應(yīng)力以及沿一個(gè)圓周上的周向應(yīng)力和等效應(yīng)力。結(jié)果表明，經(jīng)點(diǎn)焊制備的鋼制盤狀結(jié)構(gòu)，在焊點(diǎn)附近有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，可能發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致薄圓盤端面褶皺；膠焊結(jié)構(gòu)中峰值應(yīng)力較低且近乎均勻分布，有利于抑制端面失穩(wěn)，避免早期失效發(fā)生。

膠焊；應(yīng)力分布；盤狀結(jié)構(gòu)；扭轉(zhuǎn)

夾層結(jié)構(gòu)受扭轉(zhuǎn)變形在工程應(yīng)用中較為常見，而夾層結(jié)構(gòu)的整體承載能力通常受制于層間界面連接的失效。膠焊工藝結(jié)合了焊接和膠接連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在倡導(dǎo)節(jié)能以及薄殼部件組裝較多的汽車車體、航空航天器等方面獲得了較為廣泛的應(yīng)用[1～7]。Ouyang等[8]運(yùn)用解析法研究了膠接管接頭在扭轉(zhuǎn)加載下的線彈性內(nèi)聚模型和雙線性內(nèi)聚模型。然而對(duì)端面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的圓盤狀點(diǎn)焊、膠接或膠焊結(jié)構(gòu)受端面扭轉(zhuǎn)的情況，卻很少有文獻(xiàn)研究與探討。最近本課題組研究了膠層厚度對(duì)鋼制圓盤固有頻率的影響，結(jié)果表明其固有頻率隨膠層厚度增加而上升[9]。本文將采用有限元法，對(duì)受扭矩作用的鋼制圓盤中的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，主要考查對(duì)比點(diǎn)焊與膠焊技術(shù)對(duì)圓盤狀結(jié)構(gòu)制備的適應(yīng)性。

1 有限元模型

為了提高計(jì)算機(jī)迭代收斂的高效性，采用循環(huán)對(duì)稱分析，建立了圓盤的1/ 4模型如圖1（a）所示，在圓盤內(nèi)圓面2r= 50 mm和外圓面2R= 200 mm處施加徑向約束。為對(duì)比分析點(diǎn)焊與膠焊圓盤結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布，建立了2種有限元模型，即點(diǎn)焊工藝形成的焊點(diǎn)和空氣夾層及焊點(diǎn)和膠層共存的夾層，分別如圖1（b）和圖1（c）所示，焊點(diǎn)共4個(gè)，對(duì)稱分布，膠厚為0. 2 mm。ANSYS中端面扭矩的施加通過接觸對(duì)來實(shí)現(xiàn)：在端面圓心軸線10 mm處建立一個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)，與圓盤端面形成剛性節(jié)點(diǎn)與面的接觸對(duì)，對(duì)端面扭矩的施加轉(zhuǎn)移到剛性節(jié)點(diǎn)。在剛性節(jié)點(diǎn)施加200 N·m的扭矩，選擇2 mm厚45鋼作為基體金屬板，膠焊結(jié)構(gòu)還借助于環(huán)氧膠填充連接。表1中列出了45鋼和膠層的力學(xué)性能。在下文對(duì)徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力和等效應(yīng)力分布的結(jié)果分析中，所有路徑均通過焊點(diǎn)。

圖1 盤狀結(jié)構(gòu)Fig.1 Disc structure

表1 鋼和環(huán)氧樹脂膠粘劑的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of 45 steel and epoxy adhesives

2 結(jié)果與分析

沿中心線的徑向應(yīng)力Sr的分布如圖2（a）所示，對(duì)于點(diǎn)焊形成的盤狀結(jié)構(gòu)來說，僅由焊點(diǎn)來傳遞載荷，焊點(diǎn)2側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，且臨近圓盤外側(cè)的Sr應(yīng)力峰值達(dá)53. 3 MPa，大于靠近內(nèi)側(cè)的32. 5 MPa；而膠焊結(jié)構(gòu)中由于膠層的存在使載荷得以均衡，徑向應(yīng)力Sr呈現(xiàn)出與半徑增加成正比的規(guī)律，焊點(diǎn)邊緣徑向應(yīng)力峰值（0. 97 MPa）略高于圓盤外邊緣處的徑向應(yīng)力（0. 51 MPa）。在文獻(xiàn)[7]中曾提到拉伸載荷下的點(diǎn)焊單搭接接頭通過膠層來分擔(dān)載荷，減小焊點(diǎn)邊緣的各項(xiàng)應(yīng)力峰值，由模擬結(jié)果可知對(duì)于扭轉(zhuǎn)載荷，膠粘劑也有很好的均勻應(yīng)力的作用。等效應(yīng)力Seqv的分布如圖2（b）所示，分布規(guī)律與徑向應(yīng)力大致相同。

圖2 連接處中心線上的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution along the mid-bondline

沿下側(cè)鋼件中距界面0. 05 mm的直線上的徑向應(yīng)力Sr和等效應(yīng)力Seqv的分布如圖4所示。由圖3可知，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)在界面附近仍然存在著較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而膠焊結(jié)構(gòu)中在界面附近的徑向應(yīng)力Sr值仍然隨半徑增大而成正比增加。由圖3（b）看出，在焊點(diǎn)附近的高值等效應(yīng)力可能引起圓盤徑向內(nèi)、外邊緣應(yīng)力增加，向軸向分離彎曲。而膠層的存在可有效地降低應(yīng)力集中，焊點(diǎn)區(qū)和界面附近的等效應(yīng)力幾乎相同。

圖3 界面上(下側(cè)板上，距界面0.05 mm)的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution along line at 0.05 mm distance below interface

圖4是點(diǎn)焊和膠焊形成的結(jié)構(gòu)半徑為62. 5 mm處圓周上臨近界面的周向應(yīng)力St和等效應(yīng)力Seqv的分布情況。在材料力學(xué)扭轉(zhuǎn)平面假設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)圓盤同一橫截面的一個(gè)周向半徑值處，同種材料切應(yīng)力相等。圖4（a）中對(duì)比了點(diǎn)焊和膠焊結(jié)構(gòu)周向應(yīng)力的分布情況，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的周向應(yīng)力有一定程度的波動(dòng)但范圍不大。等效應(yīng)力在界面附近沿圓周的分布也表明了點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)附近有2個(gè)應(yīng)力峰值，在焊點(diǎn)中心有最低值，圓盤有折皺的變形趨勢(shì)；而膠焊結(jié)構(gòu)中，圓周上的等效應(yīng)力趨于直線分布，應(yīng)力值低于0. 7 MPa（圖4b）。

3 結(jié)論

（1）對(duì)盤狀構(gòu)件承受扭轉(zhuǎn)載荷的數(shù)值模擬結(jié)果表明，與點(diǎn)焊制備的鋼圓盤中的應(yīng)力分布情況相比，膠焊盤狀結(jié)構(gòu)在連接部中心線上和界面上的徑向峰值應(yīng)力分別下降了大約98. 1%和96. 8%，而在上述路徑上的等效應(yīng)力峰值則分別下降了大約98. 2%和97. 8%，在經(jīng)過焊點(diǎn)的圓周界面上的周向應(yīng)力與等效應(yīng)力也分別下降了大約28. 2%和95. 6%。

（2）與點(diǎn)焊盤狀結(jié)構(gòu)相比，膠焊結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布更為均勻。焊點(diǎn)的載荷由膠層分擔(dān)，其上的徑向峰值應(yīng)力顯著下降，而焊點(diǎn)有效地促進(jìn)了界面結(jié)合，減小了徑向邊緣因?yàn)槟z粘劑強(qiáng)度不足引起相對(duì)扭轉(zhuǎn)角大所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，圓盤周向褶皺的可能性下降。

圖4 界面上（下側(cè)板上，距界面0.05 mm）的應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution along line at 0.05 mm distance below interface

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On stress distribution in weld-bonded steel disc under torsional load

YOU Min, XU Jian-Jun, HUANG Cai-Hua, LI Ying-Ying
(Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design&Maintenance, China Three Gorges University, Yichang, Hubei 443002, China)

The shear and equivalent stress distributions along the mid-bondline, a line in the lower part near the interface as well as the circle in the spot weld steel disc and weld-bonded steel disc under torsional loading were investigated using the elastic-plastic finite element method (FEM).The results obtained from the numerical simulation show that there is evidental stress concentration occurred at the points near the nugget in the spot welded steel disc, so that it may bring instable for the thin steel disc. Compared with the disc made by spot welding, the stress distribution in the weld-bonded steel disc is much well-distributed with a relative lower peak value. And it is beneficial to avoid the surface instable and the early failure of steel disc.

weld-bonding; stress distribution; disc structure; torsional load

TG494

A

1001-5922（2017）05-0020-03

2017- 01- 18

游敏（1958-），男，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事連接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為方面的研究。E- mail：youmin@ ctgu. edu. cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金（50975160）, 湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2014CFA123）。