接合处应力分布：结构功能与应力集中

因为接合处的功能是将载荷从结构的一个单元传递到其邻近单元上，所以应力会以某种方式从材料中的某处摆脱出来，然后置身于毗邻的部分，但这个过程却极有可能导致高度的应力集中及随之而来的弱化。尽管如此，在少数顺利的情境中，应力仍可能会均匀地从一个零件穿过接合处到达另一个零件，而且伴随的应力集中极少，甚至没有。木料上的胶粘斜嵌接合（见图7-1）和金属上的对头焊接（见图7-2）就属于这种情况。

图7-1　木料上的胶粘斜嵌接合

图7-2　金属上的对头焊接

但是，运用斜嵌接合或对头焊接并非总能行得通，两块相邻木板或金属板间某种形式的搭叠接合可能更为常见。这种几何结构会立刻引发应力集中，且就“刚性”的搭叠接合而言，它和胶粘、钉板、螺钉、焊接、螺栓或铆接接合没有多大区别。在所有这些情况中，大部分载荷都转移到了接合处的两端（见图7-3）。

图7-3　搭叠接合处的载荷转移

基于这个原因，这类接合的强度主要取决于其宽度，少许受制于零件间重叠的长度。因此，在两个金属片间，铆接和焊接是最简单、常见、有效的形式（见图7-4和图7-5），并且即便变得复杂，也不需要改进。

图7-4　铆搭接合

图7-5　焊搭接合

通常，我们想为承张的棒或杆加上某种锚座或实心锚具作为端接附件；在这里，类似的考虑也适用，只有一处应力集中的情况除外，它通常发生在杆进入锚座的那一点上（见图7-6）。例如，若把杆拧入锚具，则几乎所有载荷都会被前面两三个螺纹分走，而锚座内其他额外的杆长就没什么作用了。因此，一只画眉鸟从草坪上拉出一只虫的难度，并不取决于虫子的长度；拉出一只短的虫子和拉出一只长的虫子是一样难的。^[2]

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图7-6

图7-6所示的应力分布适用于接合的两部分具有近似弹性模量的情况，这通常发生在金属与金属接合的时候。它还适用于杆或承张棒的刚度低于锚座或锚具材料的情况，虫子和草坪就属于这种情况。然而，如果杆或棒实质上比用来锚定它的材料更强劲，应力分布的情况则可能会逆转，主要集中在杆或插件的底端或内端（见图7-7）。

图7-7　张力作用下插件的载荷转移

当然，在实践中，两种情况可能会同等地弱化接合。或许，插件与其周边材料的弹性模量间存在一个比例，能给出一个最佳的接合处应力分布；但是，即使有这样一个比例，在现实生活中也很难模拟出来。

有一次，我想制作强化塑料机翼和金属机身间的点接合附件。虽然我应该完全清楚应力集中、草坪上的虫子之类的情况，但我还是愚蠢地从模铸强钢缆着手，将磨损的末端——像树根一样——插入了塑料主体。当我把这个欠考虑的样品装到测试仪器上时，在非常低的负载下，钢丝被拉出了塑料，并伴随着一连串破裂引发的噪声。

在下一个实验中，我用像剑一样的锥形钢片或钢尖取代钢缆，并涂上适量的黏合剂后将其经模铸插入塑料机翼结构（见图7-8）。这一次，测试样品又失败了，且随之而来的不是一连串噪声，而是一声巨响，但仍是在同样低的负载下。

图7-8　钢制插件的错误示范，这种接合方式很脆弱

在停下来反思并深究虫子的情况之后，我们又尝试了一系列短而宽的铲状钢插件，如图7-9所示。所有这些样品在极高的负载下才会失效，而且与“铲”的宽度成正比。依靠这种设计，我们能用相当小的钢制配件从塑料结构中分走大约40～50吨的载荷。

图7-9　钢制插件的正确示范，这种接合要强劲得多

这类接合方式完全依靠金属和塑料间的黏附，因此必须一丝不苟地模铸，还得有适当的检验。它们也必须经过精心设计，因为在所有这类情况中，一旦金属达到其屈服点并丧失弹性行为，金属和非金属间的黏附就会完全失效。^[3]因为金属中的应力比我们的预期可能要高得多，所以通常需要用高抗拉钢来制作插件，还要小心地进行热处理。此外，钢制插件的“后缘”必须被磨得很锋利，就像凿子一样。