CN105718639A - 构件的点胶连接优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种适用于精密构件的点胶连接优化设计方法，它是指从理论上分析不同点胶连接边界条件下，给出构件材料参数，采用解析研究方法和有限元数值分析手段，分析不同典型点胶连接状态下构件内的应力状态，包括主应力和最大剪应力的大小和方位，根据组成构件材料特征，提出对点胶连接的优化参数，将应力分量、主应力或最大剪应力作为目标优化参数，最终确定最优化的点胶连接方式和工艺，包括点胶数目、点胶大小、点胶的分布方式等，提出相应的可行工艺规范以保证精密结构体整体性能的一致性和精度稳定性。本发明提出的优化方法，使得点胶连接的研究由定性研究水平上升到定量研究水平，可大幅提高点胶连接的工艺水平和点胶连接质量。

Description

构件的点胶连接优化设计方法
技术领域
本发明属固体力学和机械制造领域，具体涉及一种适用于精密构件的点胶连接优化设计方法。
背景技术
胶接是利用在联接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件起来的工艺方法。胶接不仅适用于同种材料，也适用于异种材料。胶接工艺简便，不需要复杂的工艺设备，胶接操作不必在高温高压下进行，因而胶接件不易产生变形，接头应力分布均匀。在通常情况下，胶接接头具有良好的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性。对承载较大的壳体，可用胶接与金属扣合、螺钉加固等机械联接相结合的方法，来保证强度。航空工业是胶接应用的重要部门。由于金属联接件的减少，胶接结构与铆接或结构相比，可使机件重量减轻20～25％，强度比铆接提高30～35％，疲劳强度比铆接提高10倍。因而现代飞机的机身、机翼、舵面等都大量采用胶接的金属板金结构和蜂窝夹层结构，有的大型运输机胶接结构达3200米,有的轰炸机胶接面积占全机表面积的85％。点胶连接是将胶粘剂通过点滴、涂覆于产品表面或产品内部的操作工艺，可实现精确定位，精准控胶。在精密仪器及其微小型器件的制备过程中大量使用。
但是，点胶连接中容易出现的工艺缺陷有胶点大小不均匀、胶量不足造成掉件或偏移、胶量太多污化焊盘，装配过程中对点胶精度、点胶头数目、胶量控制能力和稳定性等方面都依靠装配人员经验确定，常在构件中产生应力集中和非均匀应力场，影响精密结构体整体性能的一致性和精度稳定性。至今也没有有效的精密结构体点胶连接的优化设计方法和手段。
总之，对于精密结构体点胶连接的优化设计方法，目前尚缺乏有效的优化手段及其分析方法，过去人们一般都采用经验确定点胶连接的胶头数目、胶量控制和焦点大小，本发明一改以往的思维方法，通过分析不同点胶状态下在构件内引起的应力分量、主应力和最大剪应力大小作为精密结构体点胶连接的主要目标优化参数，是对点胶连接的研究由过去的经验和定性研究水平提升到定量研究水平的一种新的尝试。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于精密构件的点胶连接优化设计方法，本发明所采用的技术方案是从弹性力学平衡方程、几何方程和物理方程组成的本构方程出发，采用解析研究方法和有限元数值分析手段，分析不同典型点胶连接状态下构件内的应力状态，包括主应力和最大剪应力的大小和方位，根据组成构件的应力特征，提出对点胶连接的优化参数，最终确定最优化的点胶连接方式和工艺，包括点胶数目、点胶大小、点胶的分布方式等，提出相应的可行工艺规范以保证精密结构体整体性能的一致性和精度稳定性。由于此方法主要针对精密构件的点胶连接及其优化，故称为“点胶连接优化设计方法”。本发明提出的优化方法，与现有技术相比，本发明的有益效果是使得点胶连接的研究由定性研究水平上升到定量研究水平，可大幅提高点胶连接的工艺水平和点胶连接质量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
1、解析研究方法
(1)首先根据构件的材料特征列出平衡方程、几何方程和物理方程组成的本构方程，如各向同性的平面圆盘构件，其本构方程如下：
物理方程：
其中σr,σθ,τrθ和εr,εθ,γrθ是应力和应变分量。E、ν是材料的弹性常数。
几何方程
其中ur和uθ是位移分量。.
平衡方程
(2)采用解析方法，如应力函数法，对本构方程解耦并进行求解。如各向同性的平面圆盘构件的解耦及其解析求解方法如下：
由(2)得到
令
将(5)依次代入(1)和(4)得
式(6)的解为
将(7)代入(5)得应力分量表达式
点胶边界条件和力学模型：
点胶边界条件和力学模型如图1所示。其中各参数表示以下物理量：k个点不均匀加载，第j个加载点处应力为qj(大小)，加载区域为2θj，加载区域中轴线位置加载方向与径向夹角αj(与径向夹角顺时针为负，逆时针为正)，j＝1,2,...,k-1，第k个加载只知道范围为2θk，大小qk，加载方向与径向夹角αk，中心线位置β。
将施加在边界上的力进行傅立叶展开得到
比较(11)和(8)和(10)在边界上的值，就可确定(8-10)中的未知常数。
根据(8-10)就可画出点胶连接作用下构件内部的应力分布。图2-6是点胶数目为3时圆盘内部的应力分布图。
比较不同点胶间接条件下圆盘内部引起的应力状态，即可确定点胶构件连接优化的点胶数目、点胶大小、点胶的分布方式等。
2、有限元数值研究方法
利用ANSYS数值计算软件，根据图1的边界条件给出构件有限元计算模型，划分单元格，给出构件材料参数，计算构件中的应力分量、主应力和最大剪应力的大小和方位，比较不同点胶间接条件下圆盘内部引起的应力特征，将应力分量、主应力或最大剪应力作为目标优化参数，即可确定点胶构件连接优化的点胶数目、点胶大小、点胶的分布方式等。
附图说明
图1是点胶工艺的边界条件和力学数学模型图,其中R是圆盘半径。
图2是点胶数目k＝3时圆盘内部的径向应力σrr/q随角度θ变化曲线图。
图3是点胶数目k＝3时圆盘内部的环向应力σθθ/q随角度θ变化曲线图。
图4是点胶数目k＝3时圆盘内部的剪应力τrθ/q随角度θ变化曲线图。
图5是点胶数目k＝3时圆盘内部的主应力σ1/q随角度θ变化曲线图。
图6是点胶数目k＝3时圆盘内部的最大剪应力τmax/q随角度θ变化曲线图。

Claims (4)

1.一种适用于精密构件的点胶连接优化设计方法，它是指从理论上分析不同点胶连接边界条件下，给出构件材料参数，采用解析研究方法或有限元数值分析手段，分析不同典型点胶连接状态下构件内的应力状态，包括主应力和最大剪应力的大小和方位。根据构件内的应力特征，确定最优化的点胶连接方式和工艺，包括点胶数目、点胶大小、点胶的分布方式。
2.如权利要求1所述的点胶连接优化设计方法，其特征在于将点胶连接边界条件用如类似图1所示的力学数学模型描述，采用解析研究方法或有限元数值分析手段构件内应力分布。
3.如权利要求1所述的点胶连接优化设计方法，其特征在于将应力分量、主应力或最大剪应力作为目标优化参数，确定最优化的点胶连接方式和工艺，包括点胶数目、点胶大小、点胶的分布方式。
4.如权利要求1所述的点胶连接优化设计方法，其特征在于点胶连接的定量研究，包括边界条件的数学描述和应力场的定量求解，从而使得点胶连接的研究由定性研究水平上升到定量研究水平。
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