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乐泰胶水粘接接头五种受力类型分析

  • 发布日期:18-05-22 09:44
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乐泰胶水接头受力分析

(1) 应力类型

下图示出了粘接接头中五种受力类型。在使用胶粘剂进行粘接中,粘接体系势必存在其中一种应力形式或多种应力的组合形式。

①压缩

与其它加载方式相比较,这种接头当以纯压缩形式加载时,很少出现破坏现象,但此类接头的使用范围受限制。

②剪切

乐泰胶水受力类型

 实心和层压材料组合接头

(a)嵌入接 (b)凸肩搭接 (c)交叉搭接 (d)端部搭接 (e)半遮蔽屋槽结合 (f)暗销结合 (g)通槽接 (h)花键接 (i)凹榫和凸榫连接 (j)尾榫

剪切载荷导致在整个粘接面上应力分布均匀。是一种最耐破坏的较经济的接头,该类型的加载很好地利用了接头面积。如有可能,应使大部分通过接头传递的载荷转化为剪切载荷。

③拉伸

 乐泰胶水粘接接头的应力类型

 粘接接头的应力类型

当以拉伸或剪切加载时,接头强度是相当的。当垂直作用在接头表面上的力在全部粘接面上均匀分布时,就产生了拉伸应力。由于所有胶粘剂对接接头强度有贡献,所以胶粘剂显示出良好的耐拉伸载荷能力。如果加载偏移。那么,就不存在平均分布应力,接头很可能破坏。为确保在轴线方向上加载,以拉伸应力对胶粘剂加载的接头设计要受到结构限制。

④剥离

对于出现这种类型的载荷,一个或者两个被粘物必须是柔性的。剥离的效果应是在接头的边界线上出现一非常大的应力,除非接头很宽,载荷小,否则将会产生粘接破坏。这种类型的加载应尽可能避免。

⑤劈裂

这种加载类型是由于拉伸力或力矩的分力造成的。不像其它类型的应力,劈裂应力不是均匀分布的,而是集中在接头的一侧。为了适应这种类型的应力,需要足够大的粘接面积,在这种情况下,接头将不太经济。一般来讲,劈裂应力是不希望有的。

(2) 应力分析

应力分析是一门十分复杂的科学,在此仅作一些简要说明。

①一般理论

目前,对宇航结构粘接分析可分为三类: 第一类,应力和应变的理论分析; 第二类,实验分析; 第三类,破坏分析。在全部的三个类别中大部分分析工作已集中在粘接搭接接头上。这一工作最早由奥可逊 (Volkersoen) (1938年) 和雷斯纳 (Reissner) (1944年) 提出的,并由他人经过三十年的研究得到发展和扩大。这些分析的最终目标是以机械工程设计理论为基础,为结构粘接提供出一种设计方法。

②应力和应变理论分析

由于单或双搭接型接头是粘接组装中出现的最普通类型。故大部分理论分析集中在这两者上。斜接头和阶梯式搭接接头分析明显不同于搭接接头,且很少采用。搭接接头也是用于测定粘接接头强度的最基本形式。这也是对搭接型结构确信的一个好的理由。如果接头设计合理,胶粘剂中的主要应力是剪切应力,朝向与胶粘剂的最大强度方向相反。粘接接头的剥离强度较低,在接头板上加拉伸载荷时强度也不高。对具有高剥离强度胶粘剂仍旧是很迫切要求的。

最早的搭接理论工作包括最简化的假设,例如,接头是一种简单的搭接型,两个被粘接物均由相同金属制成,具有相同几何形状、胶粘剂呈弹性,不涉及弯曲和剥离应力,忽略热膨胀和残余应力,挠度小等,所得出的应力-应变分析,并得到非线性闭合型解。

新型被粘接物材料,尤其是先进的纤维复合材料,现正用于多种具有不同强度和不同几何形状材料的粘接组合。斜接头和阶梯搭接接头的弹性、低挠度、恒温特性已被弹性- 塑性、大挠度及兼有热膨胀差或固化收缩引发残余应力的行为代替。许多新研究的出现,有可能继续使分析概念复杂化。现在理论专家应该探讨疲劳、蠕变、冲击、可耐高温和低温变化、连续加热、恶劣的环境影响、金属基材的腐蚀、裂纹扩展、被粘接物屈服和许多其它变量。

③乐泰胶水实验分析

不管是成功地进行一种理论分析,还是实际复杂状态超过了最先进方法的解决能力,因为涉及实验室实验的人力和物力花费大大超过理论工作,所以,定论性进展还不很显著。典型的粘接接头在外部载荷下,内部阻力定性测量的标准是测定胶粘剂和被粘接物的应变分布十分复杂,而且非常容易受非均相材料特性、应力集中或局部破坏、蠕变、塑性屈服等干扰。事实上胶粘剂测量长度(胶层厚度)非常小,胶粘剂在被粘接物之间完全被包住,以致于因应变小且不明显,很难进行精确测量。

④破坏分析

一种结构胶粘剂接头的功能是把外部载荷传递给结构部件。如果接头功能失效,它将受到损伤和破坏。这种损坏能引起结构的实际断裂,过大的弹性变形或过量地非弹性流动。构成结构破坏的标准取决于接头所要求的性能。胶粘剂和接头结构中的基本问题是获得施加在接头上的载荷和能充分说明结构损坏标准的参数之间的一些关系。例如,如果当接头的弹性变形达到某一限度,接头被认为产生破坏,那么载荷和弹性变形之间的关系是非常必要的。同样接头强度和载荷或者蠕变和载荷之间的关系也是必需的。搭接型接头结构破坏的最普遍标准是接头的实际断裂。对于被粘物和胶粘剂的一个给定组合件,如果施加足够大的载荷而造成破坏时,应力分析依据接头破坏理论和破坏类型而作出决定。判定其理论是否真实地反映其破坏形式取决于以前的经验,或者某些方面的实验证据。

对某一特定胶粘剂接头,选择其破坏理论,可确定施加载荷和能说明破坏参数 (应力、应变、应变能等)之间的关系。例如,假设当胶粘剂中垂直于接头板的主要应力 (拉伸力)达到足够造成断裂的程度,接头将破坏,那么必须知道当受相邻被粘接物制约时,此方向在拉伸下粘接强度的大小。最后,当得到最大容许应力后,考虑到长期和短期载荷、疲劳载荷、特殊环境条件和其它特殊使用这些因素,确定允许的应力值和安全系数。这一步骤通常是以经验、工程判断和法律、政府和商业的技术要求为基础的。

(3) 应力分析试验方法

①奥可逊 (Volkersoen) 方法

奥可逊(1938年)分析了一搭接接头胶粘剂层上的剪切应力分布。他的模型仅对刚度十分大的胶粘剂的特殊类型有效,这种胶粘剂在接头加载时不能弯曲,并发现一种无量纲的应力集中系数取决于接头的几何形状和物理参数。采用进一步的简化,某种合理的几何条件和相同的被粘接物,可得到下图式的简单方程式:

乐泰胶水

 

式中: △——弹性理论中的应力集中,是一种无量纲的系数

G——胶粘剂的剪切模量

E——被粘接物的杨氏模量

L——搭接长度

d——胶粘剂厚度

t——被粘接物厚度

乐泰胶水德布鲁奈(Debruyne) 已提出建议,当所有其它变量保持恒定时,从上图式方程中推导出的“接头因子” t/L与接头相对应。

放大的搭接接头的模型可通过在两钢板,即被粘接物之间封接一片光弹性响应树脂 (胶粘剂)制成。在加载的复合材料上观察出的应力集中与具有相同几何形状的实际的搭接接头中的相差不大,这可根据几何相似性理论得出。奥可逊的理论预测到当粘接板在纯拉伸下,胶粘剂层中的剪切应力在搭板的每一端达到最大。这些复合结构的光弹性分析显示出应力在胶粘剂模型中心部分是均匀的,但靠近钢板的边缘高。当搭接长度至少是胶粘剂层厚度的3倍时,可以发现末端应力分布与搭接长度无关。

②高兰德和雷斯纳 (Goland和Reissner)方法

在奥可逊的理论中,忽略了被称为“撕裂”或“剥离”的应力。高兰德和雷斯纳把被粘接物的弯曲变形考虑在内,还有胶粘剂的横向应变和与之相关的撕裂应力。他们研究了两种情况:

①胶粘剂层十分薄,与被粘物类似的弹性刚度,以致于其变形不重要。例如,合适的木制粘接接头;

②胶粘剂层薄,但是它的变形对接头的应力形式起显著作用,如金属-金属粘接接头。这些工作指出,最大撕裂和剪切应力对大搭接长度来讲是一渐近线。因此,对线弹性体系而言,接头强度随搭接长度的增加而达到一极限值。实际上,因不同原因获得的极限强度是被粘接物加载到的最大强度。

③美国森林产品实验室评论 (Forest Products Laboratory Revcew)

在粘接搭接型接头设计领域有批判性的述评是由FPL在1964年为美国航空材料试验室作的。这项研究包含了对搭接接头,接头中胶粘剂膜的机械性能、接头破坏判据和接头设计的经验方法的理论和实验分析文献的全面总结和分析。

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