CN103632007A - 一种金属与非金属间的胶粘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞行器结构热强度技术领域，涉及一种金属与非金属间结构胶粘方法。本发明金属与非金属间的胶粘方法首先计算热载荷下低膨胀合金帽的温度，建立胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的函数关系，将胶粘剂受热后的体积膨胀以压力形式来体现，通过改变胶粘区域范围计算得到锥壳孔边环向应力值相对材料拉伸强度的关系，确定最佳压力区间，将该最佳压力区间作为胶粘剂最佳区域，进行胶粘。本发明在国内首次提出并成功实现了高温环境中金属与非金属间的胶粘方法，该方法涂胶范围描述准确、操作工艺简单、实施效果良好。

Description

一种金属与非金属间的胶粘方法
技术领域
本发明属于飞行器结构热强度技术领域，涉及一种非金属锥壳结构胶粘方法。
背景技术
某结构在热环境中使用，该结构由低膨胀合金帽与非金属锥壳胶粘成密闭空间，外部承受持续高温。传统的胶粘方法是根据经验对低膨胀合金直杆与非金属锥壳的开孔进行部分胶粘，无法准确地给出涂胶范围：胶粘范围过大，则由于持续加热使胶粘剂受热膨胀，进而导致非金属锥壳孔边应力增大，甚至超过非金属材料的拉伸强度，造成低膨胀合金与非金属锥壳连接部分产生非正常破坏；而当胶粘范围过小，则有可能使低膨胀合金在振动实验中松动、脱落，导致产品的失败。
胶粘剂处于密闭空间，其温度分布无法通过试验来测定，必须采用数值模拟。由于胶粘剂材料的特殊性，对胶粘剂建立有限元模型进行数值模拟也无法准确地计算出胶粘剂的体积膨胀，必须采用新的方法。
发明内容
本发明的目的是：提供一种涂胶范围准确、可靠性高的非金属锥壳结构胶粘方法。
本发明的技术方案如下：一种非金属锥壳胶粘方法，首先计算热载荷下低膨胀合金帽的温度，建立胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的函数关系，将胶粘剂受热后的体积膨胀以压力形式来体现，通过改变胶粘区域范围计算得到锥壳孔边环向应力值相对材料拉伸强度的关系，确定最佳压力区间，将该最佳压力区间作为胶粘剂最佳区域，进行胶粘。
所述的非金属锥壳胶粘方法的具体过程如下：
步骤1：实验测定低膨胀合金外表面温度；
步骤2：根据低膨胀合金外表面温度通过数值计算得到低膨胀合金整体温度，把低膨胀合金直杆温度作为胶粘剂温度；
步骤3：先确定胶粘剂体积与胶粘温度的关系，再根据温度与压力的关系，确定胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的函数关系式
P=K（t+rΔT）
式中：P为压力，单位为MPa；K为分散系数，K取值范围0.85～1；r为拟合系数，一般为0.01～0.03；t为初始温度，ΔT为胶粘剂温度变化量，单位均为℃；
步骤4：胶粘剂压力作为载荷及非金属锥壳外表面热载荷联合作用进行锥壳热应力分析，通过改变胶粘区域范围多次计算得到锥壳一系列孔边环向应力值；
步骤5：确定出胶粘最佳范围
拉伸允许范围之内的最大环向应力值所对应的位置为胶粘最长区间，胶粘最小区间不小于总区间的1/2。
所述总区间为雨蚀头直杆长度。
本发明的有益效果，利用实验和数值仿真相结合的方法，给出了合理的胶粘工艺，为产品的研制成功提供了技术保障。
附图说明
图1是本发明胶粘区域剖面示意图；
图2是本发明方法的计算流程图；
图3是本发明低膨胀合金直杆特征点位置图；
图4是本发明高温环境胶粘剂体积膨胀力测试示意图；
图5是本发明锥壳孔边等效应力与材料拉伸强度对比关系；
图6是最大涂胶范围示意图；
图7最小涂胶范围示意图，
其中：1是金属雨蚀头，2是非金属锥壳，3是胶粘区域，4是前端温度点，5是中部温度点，6是尾端温度点，7是石英灯加热器，8是胶，9活塞。
具体实施方式
发明原理：
非金属锥壳结构头部区域开孔，低膨胀合金帽以胶粘方式插入锥壳开孔区域形成密闭空间。在加热实验过程中锥壳孔边经常发生破裂，经分析我们认为这种破裂现象是由胶粘剂体积膨胀力引起的。胶粘剂的体积膨胀力在真实结构中无法测试，应用数值仿真方法也同样无法实现。采用数值仿真和实验相结合的方法解决这一工程问题。通过实验测定胶粘剂体积膨胀力与温度的关系，通过数值模拟给出最佳胶粘区域范围：首先计算热载荷下低膨胀合金帽的温度，由于胶粘剂很薄（2mm），宏观上可以认为低膨胀合金帽直杆的温度为胶粘剂温度；通过典型实验建立胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的数学关系式；胶粘剂的体积膨胀力以均布压力形式施加到锥壳孔内，进行锥壳的热应力分析；通过改变胶粘区域范围多次计算得到锥壳一系列孔边环向应力值，确定出胶粘最佳范围，使得非金属锥壳孔边应力得到很好的控制，并且也防止了胶粘区过小造成在实际使用中因振动导致低膨胀合金帽脱落现象的发生。按照最佳胶粘范围粘贴的结构在传热实验中没有发生破裂，低膨胀合金帽在振动实验中也没有发生脱落，说明采用实验和数值模拟相结合方法的正确性。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
步骤1：实验测定低膨胀合金外表面温度；
该结构在高温环境中长时间工作，根据结构表面承受的热流，通过热实验测试低膨胀合金外表面温度和非金属锥壳外表面温度。测试的方法是用石英灯作为辐射热源模拟气动加热，计算机控制石英灯，在低膨胀合金外表面粘贴热电偶，通过热电偶记录结构表面温度。
步骤2：根据低膨胀合金外表面温度通过数值计算得到低膨胀合金整体温度；
对低膨胀合金结构建立有限元模型，其外表面施加温度载荷，通过NASTRAN的热分析模块计算出低膨胀合金结构温度场，选取低膨胀合金直杆沿轴线的最高温度的曲线上起点、中点及尾部各自温度最高的三个时刻，提取此三个时刻的低膨胀合金直杆轴向的温度分布。
步骤3：实验确定胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的数学关系式；
在活塞腔内注满胶粘剂，对活塞均匀加热，记录不同温度下活塞杆的位移，通过活塞杆位移及活塞腔直径计算出胶粘剂膨胀体积；在活塞杆尾端施加作用力使活塞杆回退到初始位置，得出推力与温度关系式：
P=K（t+rΔT）
式中：P为压力，单位为MPa；K为分散系数，K取值范围0.85～1；r为拟合系数，一般为0.01～0.03；t为初始温度，ΔT为胶粘剂温度变化量，单位均为℃；
步骤4：胶粘剂压力作为载荷及非金属锥壳外表面热载荷联合作用进行热应力计算；
按照低膨胀合金直杆轴向的三个时刻温度分布，计算三个时刻由于胶粘剂材料膨胀作用到非金属锥壳孔内表面上的压力，得到出直杆起点、中点及尾部的时间历程曲线。相应的最高温度是：直杆起点398.4℃(t=348秒)、中点350℃(t=356秒)、尾部344.8℃(t=348秒)。应用上述插值公式算得到直杆起点压力27.18693MPa、中点压力23.76667MPa、尾部压力23.39920MPa（K取1.0）。
为了更加准确地计算环向应力，在建立平面模型时，非金属锥壳孔区域网格较密，考虑压力载荷的不同情况，孔深方向12等份；同时，非金属锥壳孔区域网格沿环向为单元边界，经平面单元旋转形成体单元；将试验测试温度历程数据通过插值计算按剖面施加到非金属锥壳的外表面，以计算非金属锥壳瞬态温度历程。
非金属锥壳锥壳外表面施加温度载荷，其外边缘在t=333秒时温度最高，为577.8℃；内边缘在t=357秒时温度最高，为321.3℃；内、外边缘在t=332秒时温度差最大，为407.7℃。
步骤5：通过改变胶粘区域范围多次计算得到锥壳一系列孔边环向应力值，确定出胶粘最佳范围。
采用步骤4的有限元模型，改变开孔区域施加内压载荷区间，即对于低膨胀合金约9mm的直杆部分的不同涂胶状态：全胶、11/12、5/6、3/4、2/3、7/12、1/2、5/12、1/3和1/4胶粘共十种载荷情况。结合三个时刻的非金属锥壳温度分布，共计90种工况再次进行结构热分析（计算结果见表1）；
表1非金属锥壳在不同压力下的热应力计算结果
Figure BDA0000429739900000051
步骤6：对表1的非金属锥壳孔边环向应力与非金属的拉伸强度进行比较，确定的胶粘区域最大范围为低膨胀合金直杆的2/3，最小范围为低膨胀合金直杆的1/2。
步骤7：热实验验证；
低膨胀合金直杆的2/3胶粘在传热实验中结构没有发生破坏。
步骤8：振动实验验证。
低膨胀合金直杆的1/2胶粘在振动冲击实验中结构没有发生破坏。
本发明在国内首次提出并成功实现了高温环境中金属与非金属间的胶粘方法，该方法操作工艺简单，胶粘范围精度高，在热环境下，粘接牢固，可靠，实施效果良好。

Claims (3)

1.一种金属与非金属间的胶粘方法，其特征在于，首先计算热载荷下低膨胀合金帽的温度，建立胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的函数关系，将胶粘剂受热后的体积膨胀以压力形式来体现，通过改变胶粘区域范围计算得到非金属锥壳孔边环向应力值相对材料拉伸强度的关系，确定最佳压力区间，将该最佳压力区间作为胶粘剂最佳区域，进行胶粘。
2.根据权利要求所述的金属与非金属间的方法，其特征在于，具体过程如下：
步骤1：实验测定低膨胀合金外表面温度；
步骤2：根据低膨胀合金外表面温度通过数值计算得到低膨胀合金整体温度，把低膨胀合金直杆温度作为胶粘剂温度；
步骤3：先确定胶粘剂体积与胶粘温度的关系，再根据温度与压力的关系，确定胶粘剂温度与胶粘剂体积膨胀力的函数关系式
P=K（t+rΔT）
式中：P为压力，单位为MPa；K为分散系数，K取值范围0.85～1；r为拟合系数，一般为0.01～0.03；t为初始温度，ΔT为胶粘剂温度变化量，单位均为℃；
步骤4：胶粘剂压力作为载荷及非金属锥壳外表面热载荷联合作用进行锥壳热应力分析，通过改变胶粘区域范围多次计算得到锥壳一系列孔边环向应力值；
步骤5：确定出胶粘最佳范围
拉伸允许范围之内的最大环向应力值所对应的位置为胶粘最长区间，胶粘最小区间不小于总区间的1/2。
3.根据权利要求所述的金属与非金属间的胶粘方法，其特征在于，所述总区间为雨蚀头直杆长度。
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