CN109975205B - 一种粘接装配性能评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种粘接方案评估方法，通过制作面内剪切试验件和面外剥离试验件，对试验件进行面内剪切试验和面外剥离试验，将获得的最大面内剪切破坏载荷F切和面外剥离破坏载荷F剥作为仿真模型的输入，进行仿真计算，得到面内最大破坏强度σsin和面外最大破坏强度σsout，定义粘接胶层的最大许用应力
Figure DDA0001886420250000011
对比各种工况条件下粘接胶层的最大面内剪切应力γjin和最大面外剪切应力γjout，对粘接方案进行评估，并给出粘接胶层缺陷容许范围的可行域。通过采用仿真模型计算得到的材料强度确定安全裕度，减少原仿真模型采用试验得到的材料强度带来的误差，实现对粘接装配性能设计方案的评估。

Description

一种粘接装配性能评估方法
技术领域
本发明涉及一种粘接装配性能评估方法，属于结构装配技术领域。
背景技术
吸气式高超声速飞行器在大气层内长时间、高马赫数飞行，飞行器表面气动热环境十分严酷。目前，飞行器表面热防护系统普遍采用高效耐温隔热一体化的热防护结构，如某短时飞行器外表面的陶瓷面板整体式复合隔热瓦(简称复合隔热瓦)。复合隔热瓦主要通过硅橡胶与内承载结构粘接装配，如果粘接装配质量不佳的话，将直接影响热防护系统的使用性能，甚至有可能导致外防热结构在使用过程中失效，带来飞行事故，因此获得一种可用于评价外防热结构粘接装配性能评估方法十分重要。
国内针对粘接装配性能设计的评估手段，主要采用大规模多批次的粘接结构拉伸强度试验以及超声扫描等手段实现，一方面大规模多批次的粘接结构试验件带来的周期长、成本高等问题难以解决，另一方面在针对复杂结构和多层热防护材料的应用时容易出现盲区等问题也制约了超声扫描的实际工程应用，再者强度实验和超声扫描等都不能针对粘接装配方案和粘接缺陷容许范围的可行域进行定量评价。
传统评估方法往往根据仿真分析结果与材料性能测试得到的材料强度进行比较以确定结构安全裕度。但由于胶黏剂力学行为特性复杂建立高精度仿真分析模型难度较大，仿真分析模型所获得的应力/应变结果可能与实际响应存在较大误差，传统评估方法难以适用，需建立一种新型的适用于高不确定性仿真分析模型的强度评估方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种粘接装配性能评估方法，通过采用仿真模型计算得到的材料强度确定安全裕度，减少原仿真模型采用试验得到的材料强度带来的误差，实现对粘接装配性能设计方案的评估。
本发明的技术解决方案：一种粘接装配性能评估方法，步骤如下，
第一步，制作m个面内剪切试验件和面外剥离试验件。
第二步，针对第一步获得的剥离试验件，分别开展面内剪切试验和面外剥离试验，获得各个实验件最大面内剪切破坏载荷F切i和面外剥离破坏载荷F剥i，i＝1，2，3……m，选取最大的F切、F剥为实验件的最大面内剪切破坏载荷和面外剥离破坏载荷。
第三步，建立与试验状态相同的仿真计算模型，以最大面内剪切破坏载荷F切和面外剥离破坏载荷F剥作为输入，通过仿真分析方法获得粘接胶层在最大试验载荷条件下的面内剪切应力和面外剪切应力，并将该应力值定义为面内最大破坏强度σsin和面外最大破坏强度σsout。
第四步，针对实际粘接设计方案，梳理全任务剖面和全寿命周期内可能出现的各种典型载荷工况，通过仿真分析方法，分别计算并获得以上各种工况条件下粘接胶层的最大面内剪切应力γjin和最大面外剪切应力γjout，其中j代表工况状态。
第五步，定义粘接胶层的最大许用应力
Figure BDA0001886420230000021
其中n为安全系数，若γjin＜[σin]且γjout＜[σout]，可以认为粘接强度能满足设计要求，即粘接方案有效；若γjin≥[σin]和γjout≥[σout]其中任意一种情况出现，则需要对粘接方案进行优化，并在优化后重新进行评估。
第六步，通过改动仿真模型，计算获得不同缺陷位置、不同缺陷面积以及不同胶层厚度条件下的胶层应力变化，在满足γjin＜[σin]且γjout＜[σout]条件下，给出粘接胶层缺陷容许范围的可行域。
所述的面内剪切试验件由外防热结构和承载结构粘接而成，面外剥离试验件由外防热结构和金属箔片粘接而成。
所述的变形工况包括弹体弯曲变形工况、局部鼓包变形工况、外防热结构表面热膨胀变形工况、内承载结构热膨胀变形工况和组合变形工况。
所述的安全系数n在工程上一般选择n＝1.5～3。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明在建立仿真模型时，采用最大面内剪切破坏载荷F切和面外剥离破坏载荷F剥作为输入，通过仿真模型计算得到最大破坏强度做为计算安全裕度的输入，改变了之前仿真模型采用试验件的最大破坏强度作为输入的方式，避免了试验件最大破坏强度带入的误差，使计算的结果更准确；
(2)本发明采用“简单少量试验数据+仿真分析”的评估方法，能够有效解决高超声速飞行器在全任务剖面和全寿命周期范围内，外防热结构粘接装配方案和粘接缺陷容许范围的可行域难以定量评价的问题，并且周期短，成本低，不存在盲区的问题，实现对高超声速飞行器外防热结构粘接装配性能设计方案的评估；
(3)本发明通过改动仿真模型，获得不同缺陷位置、不同缺陷面积以及不同胶层厚度条件下的胶层应力变化，通过给出粘接胶层缺陷容许范围的可行域，为粘接方案的实施提供依据。
附图说明
图1为本发明粘接方案评估方法的流程图；
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种粘接方案评估方法，步骤如下，
第一步，制作各十个面内剪切试验件和面外剥离试验件。
第二步，针对第一步获得的剥离试验件，分别开展面内剪切试验和面外剥离试验，获得各个实验件最大面内剪切破坏载荷F切i和面外剥离破坏载荷F剥i，i＝1，2，3……10，选取最大的F切、F剥为实验件的最大面内剪切破坏载荷和面外剥离破坏载荷。
第三步，建立与试验状态相同的仿真计算模型，以最大面内剪切破坏载荷F切和面外剥离破坏载荷F剥作为输入，通过仿真分析方法获得粘接胶层在最大试验载荷条件下的面内剪切应力和面外剪切应力，并将该应力值定义为面内最大破坏强度σsin和面外最大破坏强度σsout。
第四步，针对实际粘接设计方案，梳理全任务剖面和全寿命周期内可能出现的各种典型载荷工况，通过仿真分析方法，分别计算并获得以上各种工况条件下粘接胶层的最大面内剪切应力γjin和最大面外剪切应力γjout，其中j代表工况状态。
第五步，定义粘接胶层的最大许用应力
Figure BDA0001886420230000041
其中n为安全系数，n＝2～3,若γjin＜[σin]且γjout＜[σout]，可以认为粘接强度能满足设计要求，即粘接方案有效；若γjin≥[σin]和γjout≥[σout]其中任意一种情况出现，则需要对粘接方案进行优化，并在优化后重新进行评估。
第六步，通过改动仿真模型，计算获得不同缺陷位置、不同缺陷面积以及不同胶层厚度条件下的胶层应力变化，在满足γjin＜[σin]且γjout＜[σout]条件下，给出粘接胶层缺陷容许范围的可行域。
下面就外防热结构粘接方案的评估方法做具体举例说明：
第一步，利用室温硫化硅橡胶，将外防热结构与承载结构进行粘接，获得面内剪切试验件和面外剥离试验件，其中面内剪切试验件由尺寸均为30mm×25mm×10mm的外防热结构和承载结构粘接而成，面外剥离试验件由200mm×20mm×3mm的外防热结构和200mm×20mm×0.3mm的金属箔片粘接而成，试验件各制作十个。分别对试验件开展面内剪切试验和90°面外剥离试验，获得最大面内剪切破坏载荷F切i和面外剥离破坏载荷F剥i，i＝1，2，3……10，选取最大的F切、F剥为实验件的最大面内剪切破坏载荷和面外剥离破坏载荷。
第二步，采用Abaqus有限元软件建立与试验状态相同的有限元仿真计算模型，热防护部分根据传统有限元分析方法进行建模。胶层采用内聚力单元、连续体响应方程、超弹性材料模型进行建模，其中需输入的超弹性材料模型通过胶层拉伸性能试验确定，以应力-应变数据形式进行录入。
第三步，以最大面内剪切破坏载荷F切和面外剥离破坏载荷F剥作为输入，通过仿真分析方法获得粘接胶层在最大试验载荷条件下的面内/面外剪切应力，并将该应力值定义为面内最大破坏强度σsin和面外最大破坏强度σsout。
第四步，针对实际粘接设计方案，梳理全任务剖面和全寿命周期内可能出现的各种典型载荷工况，包括弹体弯曲变形工况、局部鼓包变形工况、外防热结构表面热膨胀变形工况、内承载结构热膨胀变形工况以及组合变形工况等。采用传统有限元分析方法对模拟工况进行仿真分析，胶层建模方法与第二步相同，分别计算并获得以上各种工况条件下粘接胶层的最大面内剪切应力γjin和最大面外剪切应力γjout，其中i代表工况状态。
第五步，考虑一定的安全系数n，n＝1.5～3，并定义粘接胶层的最大许用应力
Figure BDA0001886420230000061
若所有工况条件下均有γjin＜[σin]且γjout＜[σout]，可以认为外防热结构的粘接强度能满足设计要求，即粘接方案有效；若存在某个工况条件下γjin≥[σin]和γjout≥[σout]，则需要对粘接方案进行优化，如优化局部高应力区的粘接面积、胶层厚度等参数，并在优化后重新进行评估。
第六步，需考虑胶层厚度不均匀、局部脱粘等粘接缺陷的影响，对第四步有限元分析模型中胶层模型进行修改，采用删除局部实体或单元的形式构造胶层缺陷，计算获得不同缺陷位置、不同缺陷面积以及不同胶层厚度条件下的胶层应力变化，以各工况下γjin＜[σin]且γjout＜[σout]为判别标准，给出粘接胶层缺陷容许范围的可行域。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种粘接方案评估方法，其特征在于，通过以下步骤完成：
第一步，制作m个面内剪切试验件和面外剥离试验件；
第二步，针对第一步获得的剥离试验件，分别开展面内剪切试验和面外剥离试验，获得各个实验件最大面内剪切破坏载荷F切i和面外剥离破坏载荷F剥i，i＝1，2，3……m，选取最大的F切、F剥为实验件的最大面内剪切破坏载荷和面外剥离破坏载荷；
第三步，建立与试验状态相同的仿真计算模型，以最大面内剪切破坏载荷F切和面外剥离破坏载荷F剥作为输入，通过仿真分析方法获得粘接胶层在最大试验载荷条件下的面内剪切应力和面外剪切应力，并将该应力值定义为面内最大破坏强度σsin和面外最大破坏强度σsout；
第四步，针对实际粘接设计方案，梳理全任务剖面和全寿命周期内可能出现的各种典型载荷工况，通过仿真分析方法，分别计算并获得以上各种工况条件下粘接胶层的最大面内剪切应力γjin和最大面外剪切应力γjout，其中j代表工况状态；所述的典型载荷工况包括弹体弯曲变形工况、局部鼓包变形工况、外防热结构表面热膨胀变形工况、内承载结构热膨胀变形工况和组合变形工况；
第五步，定义粘接胶层的最大许用应力
Figure FDA0003607251810000011
其中n为安全系数，若γjin＜[σin]且γjout＜[σout]，可以认为粘接强度能满足设计要求，即粘接方案有效；若γjin≥[σin]和γjout≥[σout]其中任意一种情况出现，则需要对粘接方案进行优化，并在优化后重新进行评估；
第六步，通过改动仿真模型，计算获得不同缺陷位置、不同缺陷面积以及不同胶层厚度条件下的胶层应力变化，在满足γjin＜[σin]且γjout＜[σout]条件下，给出粘接胶层缺陷容许范围的可行域。
2.根据权利要求1所述的粘接方案评估方法，其特征在于：所述的面内剪切试验件由外防热结构和承载结构粘接而成，面外剥离试验件由外防热结构和金属箔片粘接而成。
3.根据权利要求1所述的粘接方案评估方法，其特征在于：所述的安全系数n在工程上选择n＝1.5～3。
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