CN106837960B - 一种齿形端面的胶接连接结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿形端面的胶接连接结构及其制备工艺，此连接的被连接部件包括远离胶接区域的等厚度段和临近胶接的楔形段，在楔形段两侧存在边缘倒角，在楔形段末端存在齿形边界，这种结构的设计可以最大限度光顺刚度的过渡，大幅缓解连接端部的应力集中，提高胶接的承载能力。该被连接件可以采用模具制备，对于纤维增强复合材料，可以预先按照尺寸裁剪纤维，然后按照相应的成型工艺制备满足尺寸要求的被连接件，也可以在块状样件上采用机械加工成相应尺寸的被连接件，在进行粘接作业时，粘接胶做成弧形或者直接过渡到相邻的被连接件上，最后按照粘接胶的固化要求，放入相应的环境条件下进行固化，制备出所需的胶接构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种胶接连接结构及其制备方法，尤其涉及齿形端面连接结构及其制备方法，属于材料连接方法和技术领域。
背景技术
胶接连接是一种广泛应用在工程领域、实现结构件之间相互作用的结构形式，胶接强度是评价连接性能优劣的重要参数。提高胶接强度的方法主要包括：(1)使用力学性能更优的被连接件材料和胶黏剂；（2）优化连接结构几何特征，使得连接载荷光顺传递，尽可能避免局部应力集中。使用高性能材料往往大幅度增加产品的制造成本，在实际应用中受到较大限制。胶接结构具有独特的受力分布，在胶接面，剪切应力呈现凹槽形分布，连接两端应力大，中部应力小。如图1所示，等宽等厚被连接件8和连接件之间形成单搭接胶接接头结构，二者之间的搭接区填充粘接剂7，通常胶接连接的被连接件8设计成等厚度、等宽度结构。这种被连接件通过粘接形成的胶接结构应力集中显著，胶接强度低。因此，优化两端应力分布，减小最大应力值是避免应力过度集中的有效途径。在轴向载荷下，边缘效应带来的局部过大应力也是引起边缘裂纹产生的又一重要因素。在疲劳载荷下，胶接界面的裂纹随着循环载荷次数的增加逐渐扩展，当裂纹发展到一定程度后整个胶接结构无法承受后续载荷而完全失效，阻止裂纹在胶接面的迅速扩展可以大幅度提高胶接的疲劳寿命，因此，优化胶接连接几何结构，避免端部和两侧的应力集中，同时通过相应设计来阻止裂纹在疲劳载荷下快速扩展对提高胶接强度大有裨益。
发明内容
针对现有技术的上述缺点与不足,本发明所要解决的技术问题是提供一种连接强度高、连接部位应力集中小的齿形端面胶接结构和方法。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种齿形端面的胶接连接结构，包括上下重叠放置的被连接部件和连接部件，所述被连接部件和连接部件的连接端结构基本相同并相互搭接形成单搭接胶接接头，所述被连接部件和连接部件的连接端之间的搭接区域填充粘结剂从而形成胶接区域，其特征在于：
与传统的等宽度等厚度单搭接连接结构不同，本发明的齿形端面连接结构采用楔形段过渡，所述被连接部件和连接部件的连接端均包括等厚度连接段和楔形段，其中，所述等厚度连接段至少有一部分位于胶接区域，所述楔形段全部处于胶接区域，所述楔形段上端两侧的棱边形成边缘倒角，该边缘倒角至少光滑过渡至位于胶接区域的等厚度连接段，从而可以避免连接结构刚度急剧变化，有效缓解连接段端部的应力集中；
在所述楔形段厚度较薄的末端采用锯齿状的齿形边界过渡，用于光顺连接结构的刚度过渡，在疲劳载荷下可以抑制粘接界面裂纹扩展
优选地，所述边缘倒角可进一步设置为内凹形，内凹形边缘倒角可以有效的缓解连接结构横向自由边界效应引起的应力集中。
进一步地，内凹形的边缘倒角在侧面也有一定的过渡弧，可以有效减小纵向和横向的应力集中，使得连接刚度光顺过渡。这种结构的设计可以最大限度光顺刚度的过渡，大幅缓解连接端部的应力集中，提高胶接的承载能力。
所述齿形端面的胶接连接结构的制备方法，其特征在于，该连接结构可采用多种制备方法制造，如模具制备方法；对于纤维增强复合材料，可预先按照尺寸裁剪纤维，然后按照相应的成型工艺制备满足尺寸要求的被连接件；或在块状样件上采用机械加工成相应尺寸的被连接件。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案提供了三种齿形端面胶接结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1）模具制备法
（1）根据需求将被连接件的连接端设计成等宽度、等厚度结构；
（2）根据设计的连接结构设计可填充、可浇筑或者可铺层的模具；
（3）利用模具制备出连接部件的连接端结构；
（4）在连接端结合面从一端向另一端涂覆粘接剂，避免粘接面引入气泡；
（5）采用对中装置，将被连接件的连接端重叠对齐，加压，加热固化。
2）铺层制备方法（适用于纤维复合材料成型工艺）
（1）根据需要设计连接端结构以及尺寸；
（2）根据设计尺寸将纤维复合材料裁剪成需要的形状；
（3）在铺层成型模具中铺设纤维到所需厚度；
（4）采用真空导入或者模压方法固化；
（5）连接端粘接工艺与1）模具制备方法中（4）（5）步骤相同。
3）机加工成型方法
（1）根据需要设计连接部件的结构尺寸；
（2）选择合适的块状样件，在机加工设备上加工成型；
（3）连接端粘接工艺与1）模具制备方法中（4）（5）步骤相同。
同现有技术对比，本发明的齿形端面胶连接结构及其制备方法具有以下显著技术效果：
1. 本发明的齿形端面胶接连接结构采用楔形结构作为过渡段，较传统的等宽度等厚度单搭接连接结构，可以有效的缓解连接段端部的应力集中。
2.采用内凹形边缘倒角贯穿等厚度连接段和楔形段两侧，可以有效缓解连接结构横向因截面突变造成的应力集中。
3.在满足同等承载条件下，本发明的齿形端面胶接连接结构可以在不明显增加重量和制造成本基础上实现胶接强度的大幅提升。
附图说明
图1. 传统等宽度等厚度单搭接连接结构正视图；
图2. 本发明的齿形端面胶连接结构示意图；
图3. 本发明的齿形端面胶连接结构正视图；
图4. 本发明的齿形端面胶连接结构俯视图；
图5. 等厚度连接件和楔形连接件中胶层的剥离应力分布图。
其中：1-连接部件，2-被连接部件，3-等厚度连接段，4-楔形段，5-边缘倒角，6-齿形边界，7-粘结剂，8-等宽等厚被连接件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
如图2-4所示，本发明的齿形端面胶接连接结构，包括上下重叠放置的被连接部件1和连接部件2，二者的连接端结构基本相同并相互搭接形成单搭接胶结接头，被连接部件1和连接部件2之间的搭接区域填充粘结剂7从而形成胶结区域，被连接件1的连接端包括等厚度连接段3和楔形段4，其中等厚度连接段3至少部分位于胶接区域，楔形段4全部处于胶接区域。楔形段4两侧上端的棱边形成边缘倒角5，该边缘倒角5至少光滑过渡至位于胶接区域的等厚度连接段3，从而可以避免连接结构刚度急剧变化，可以有效的缓解连接段端部的应力集中。边缘倒角5可进一步设置为内凹形，内凹形边缘倒角5可以有效的缓解连接结构横向自由边界效应引起的应力集中。进一步地，内凹形的边缘倒角5在侧面也有一定的过渡弧，可以有效减小纵向和横向的应力集中，使得连接刚度光顺过渡。在楔形段4厚度较薄的末端形成锯齿状的齿形边界6，用于光顺连接结构的刚度过渡，在疲劳载荷下可以抑制粘接界面裂纹扩展。这种结构的设计可以最大限度光顺刚度的过渡，大幅缓解连接端部的应力集中，提高胶接的承载能力。
如图5所示，展示了等厚度连接和楔形连接在两端拉伸载荷作用下胶层中的剥离应力，在胶层的两端都会出现不同程度的应力集中现象，但是楔形连接件（B-B）比等厚度连接件（A-A）胶接的剥离应力小很多。现有的研究表明剥离应力是引起胶接失效的主导应力矢量，剥离应力越大，胶接承载能力越差，因此，采用楔形胶接可以大幅提高胶接强度，楔形连接件胶接构型具有突出的力学性能优势。
本发明的齿形端面胶接连接结构的制备，包括如下三种制备方法及过程：
方法一：模具制备法
（1）根据需求将连接部件和被连接部件的连接端设计成等宽度、等厚度结构；
（2）根据设计的连接结构设计可填充、可浇筑或者可铺层的模具；
（3）利用模具制备出连接部件和被连接部件的连接端结构；
（4）在被连接部件的连接端结合面从一端向另一端涂覆粘接剂，避免粘接面引入气泡；
（5）采用对中装置将被连接件的连接端重叠对齐，加压，加热固化；
方法二：铺层制备方法，适用于纤维复合材料成型工艺
（1）根据需要设计连接端结构以及尺寸；
（2）根据设计尺寸将纤维复合材料裁剪成需要的形状；
（3）在铺层成型模具中铺设纤维到一定厚度；
（4）采用真空导入或者模压成型方法固化；
（5）连接端粘接工艺与方法一模具制备法中步骤（4）、（5）相同；
方法三：机加工成型方法
（1）根据需要设计连接部件的连接端的结构尺寸；
（2）选择合适的块状样件，在机加工设备上加工成型；
（3）连接端粘接工艺与方法一模具制备方法中的步骤（4）、（5）相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种齿形端面的胶接连接结构，包括上下重叠放置的被连接部件和连接部件，所述被连接部件和连接部件的连接端相互搭接形成单搭接胶结接头，所述被连接部件和连接部件的连接端之间的搭接区域填充粘结剂从而形成胶结区域，其特征在于：所述被连接部件的连接端包括等厚度连接段和楔形段，其中，所述等厚度连接段至少有一部分位于胶接区域，所述楔形段全部处于胶接区域，所述楔形段上端两侧的棱边设有边缘倒角，该边缘倒角至少光滑过渡至位于胶接区域的等厚度连接段，以避免连接结构刚度急剧变化，缓解连接段端部的应力集中；所述楔形段上厚度薄的末端采用锯齿状的齿形边界过渡，用于光顺连接结构的刚度过渡，以在疲劳载荷下抑制粘接界面裂纹扩展。
2.如权利要求1所述的齿形端面的胶接连接结构，其特征在于，所述边缘倒角进一步设置为内凹形，用于缓解连接结构横向自由边界效应引起的应力集中。
3.如权利要求2所述的齿形端面的胶接连接结构，其特征在于，所述内凹形边缘倒角在侧面有一定的过渡弧，用于减小纵向和横向的应力集中，使得连接刚度光顺过渡。
4.如权利要求1所述的齿形端面的胶接连接结构，其特征在于，所述被连接部件和连接部件的连接端结构相同，上下对称搭接设置。
5.一种根据权利要求1至4中任一权利要求所述的齿形端面的胶接连接结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法为模具制备方法、铺层制备方法或机加工成型方法。
6.如权利要求5所述的齿形端面的胶接连接结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法为模具制备法，该方法包括如下步骤：
A1.首先根据工程需求设计被连接部件和连接部件的连接端结构和尺寸，所述连接端结构设计成等宽度、等厚度结构；
A2.根据步骤A1设计的连接端结构设计可填充、可浇筑或可铺层的模具；
A3.利用步骤A2设计的模具制备出被连接部件和连接部件的连接端结构；
A4.在连接部件或被连接部件的连接端结合面从一端向另一端涂覆粘接剂，避免粘接面引入气泡；
A5.采用对中装置，将连接部件和被连接部件的连接端重叠对齐，加压，加热固化。
7.如权利要求5所述的齿形端面的胶接连接结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法为适用于纤维复合材料成型工艺的铺层制备方法，该方法包括如下步骤：
B1.根据工程需要设计连接部件与被连接部件的连接端结构以及尺寸；
B2.根据连接端的设计尺寸将纤维复合材料裁剪成需要的形状；
B3.在铺层成型模具中铺设纤维复合材料到一定厚度与结构；
B4.采用传统吸注成型方法固化；
B5.在连接部件或被连接部件的连接端结合面从一端向另一端涂覆粘接剂，避免粘接面引入气泡；
B6.采用对中装置，将连接部件和被连接部件的连接端重叠对齐，加压，加热固化。
8.如权利要求5所述的齿形端面的胶接连接结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法为机加工成型方法，该方法包括如下步骤：
C1.根据工程需要设计连接部件与被连接部件的结构尺寸；
C2.选择合适的块状样件，在机加工设备上加工成型；
C3.在连接部件或被连接部件的连接端结合面从一端向另一端涂覆粘接剂，避免粘接面引入气泡；
C4.采用对中装置，将连接部件和被连接部件的连接端重叠对齐，加压，加热固化。
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