CN110044965B - 一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，包括以下步骤：步骤一、分别对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行准静态失效测试，并计算其失效强度；步骤二、对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行老化试验得老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头；步骤三、分别对老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头进行准静态失效测试，分别计算得到老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度和老化后金属粘接接头；步骤四、并计算胶粘剂、界面失效和热应力对温度老化后金属粘接接头失效强度的影响程度。

Description

一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法
技术领域
本发明涉及汽车、机车和飞机的金属粘接接头在温度环境中老化分析等领域，尤其涉及一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法。
背景技术
由于能源危机和环境污染，通过轻量化设计是实现节能减排的有效途径之一，因此，高强钢、铝合金、钛合金等轻量化材料广泛应用于汽车、机车和飞机等产品上。粘接结构应力分布均匀、质量轻，还能有效减少不同金属间的电化学腐蚀，因此逐渐应用于金属之间的连接。粘接接头中的胶粘剂是高分子材料，在长期服役过程中受温度作用会发生老化，通过对老化影响因素的分析，不仅能够揭示其老化的机理，还能改善粘接接头的设计提高其耐久性，但是现有的研究主要集中在老化影响因素的定性分析方面，缺少定量分析。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，通过试验测试和计算分析，能够定量计算胶粘剂、热应力和界面失效对温度环境中金属粘接接头老化的影响程度。
本发明提供的技术方案为：一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，包括以下步骤：
步骤一、分别对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行准静态失效测试，并计算其失效强度；
步骤二、对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行老化试验得老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头；
步骤三、分别对老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头进行准静态失效测试，分别计算得到老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度和老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度；
步骤四、并计算胶粘剂对温度老化后金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000021
Figure BDA0002076089500000022
其中，PY1为老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度，PY0为未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度；
计算没有考虑界面失效面积时温度老化对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000023
Figure BDA0002076089500000024
其中，PJ1为老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度，PJ0为未老化金属粘接接头的失效强度；
计算考虑界面失效面积时温度老化对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000025
Figure BDA0002076089500000026
其中，PJ2为老化后金属粘接接头考虑界面失效面积时的失效强度；
计算界面失效面积对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000027
Figure BDA0002076089500000028
计算热应力对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000029
Figure BDA00020760895000000210
优选的是，所述未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度PY0计算方法为：
Figure BDA00020760895000000211
其中，FY0为未老化胶黏剂哑铃试件的失效载荷，SY0为未老化胶黏剂哑铃试件的横截面积。
优选的是，所述未老化金属粘接接头的失效强度PJ0计算方法为：
Figure BDA00020760895000000212
其中，FJ0为未老化金属粘接接头的失效载荷，SJ0为未老化金属粘接接头的横截面积。
优选的是，所述老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度PY1计算方法为：
Figure BDA0002076089500000031
其中，FY1为老化后胶黏剂哑铃试件的失效载荷，SY1为老化后胶黏剂哑铃试件的横截面积。
优选的是，所述老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度PJ1计算方法为：
Figure BDA0002076089500000033
其中，FJ1为老化后金属粘接接头的失效载荷，SJ1为准静态失效测试时失效断面中内聚失效面积，SJ2为准静态失效测试时失效断面中界面失效面积。
优选的是，所述老化后金属粘接接头考虑界面失效面积时的失效强度PJ2计算方法为：
Figure BDA0002076089500000032
优选的是，
在所述步骤二中，所述老化试验中的温度为固定温度或循环温度或任意变化的温度。
优选的是，
在所述老化试验中，相对湿度控制在20％以下。
优选的是，
所述金属粘接接头为金属粘接对接接头。
本发明所述的有益效果：
1、考虑了胶粘剂、界面失效和热应力三种影响因素对温度老化环境中金属对接接头失效强度的影响，考虑的影响因素较为全面；
2、实现了对金属粘接接头在温度环境中的老化影响因素定量分析，分别计算了胶粘剂、界面失效和热应力对粘接接头失效强度的影响程度；
3、在计算胶粘剂和粘接接头失效强度的时候，对老化前和老化后的失效断面面积都进行了测试，考虑了温度老化以及制造差异性对尺寸的影响，能够提高失效强度的计算精度。
附图说明
图1为本发明的哑铃试件几何尺寸示意图。
图2为本发明的哑铃试件厚度尺寸示意图。
图3为本发明的金属对接接头几何结构示意图。
图4为本发明的金属对接接头的侧面几何尺寸示意图。
图5为本发明的金属对接接头的另一侧面几何尺寸示意图。
图6为本发明的未老化的对接接头内聚失效断面图。
图7为本发明的老化后金属对接接头的失效断面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、分别对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行准静态失效测试，并计算其失效强度。具体地如下：
对未老化胶黏剂哑铃试件进行准静态失效测试，获得未老化胶黏剂哑铃试件的失效载荷为FY0，测试断口处横截面的长和宽，计算横截面积为SY0，计算未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度为
Figure BDA0002076089500000041
对未老化金属粘接接头进行准静态失效测试，获得未老化金属粘接接头的失效载荷为FJ0，测试失效断面中内聚失效的面积为SJ0，计算未老化金属粘接接头的失效强度为
Figure BDA0002076089500000042
步骤二、选择温度老化环境对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行老化试验得老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头；
步骤三、分别对老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头进行准静态失效测试，分别计算得到老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度和老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度；具体地如下：
对老化后胶黏剂哑铃试件进行准静态失效测试，获得老化后胶黏剂哑铃试件的失效载荷为FY1，测试断口处横截面的长和宽，计算横截面积为SY1，计算老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度为
Figure BDA0002076089500000051
对老化后胶黏剂粘接接头进行准静态失效测试，获得老化后金属粘接接头的失效载荷为FJ1，测试失效断面中内聚失效面积为SJ1和界面失效面积为SJ2。计算老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度为
Figure BDA0002076089500000052
步骤四、并计算胶粘剂对温度老化后金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000053
Figure BDA0002076089500000054
其中，PY1为老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度，PY0为未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度；
计算没有考虑界面失效面积时温度老化对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000055
Figure BDA0002076089500000056
其中，PJ1为老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度，PJ0为未老化金属粘接接头的失效强度；
计算考虑界面失效面积时温度老化对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000057
Figure BDA0002076089500000058
其中，PJ2为老化后金属粘接接头考虑界面失效面积时的失效强度；
计算界面失效面积对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000061
Figure BDA0002076089500000062
计算热应力对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000063
Figure BDA0002076089500000064
所述老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度PY1计算方法为：
Figure BDA0002076089500000065
其中，FY1为老化后胶黏剂哑铃试件的失效载荷，SY1为老化后胶黏剂哑铃试件的横截面积。
所述老化后金属粘接接头考虑界面失效面积时的失效强度PJ2计算方法为：
Figure BDA0002076089500000066
在所述步骤二中，所述老化试验中的温度为固定温度或循环温度或任意变化的温度。
在所述老化试验中，相对湿度控制在20％以下。
优选选择应力分布均匀的接头，所述金属粘接接头为金属粘接对接接头。
设计、加工金属粘接接头，粘接基材可以是同种金属材料，也可以是异种金属材料，粘接接头的胶粘剂与哑铃试件中的胶粘剂保持一致。
为提高分析精度，哑铃试件和粘接接头的尺寸设计应该参考国家或者国际标准，增加测试次数取平均值。
影响程度的绝对值代表影响程度的大小，如果影响程度是正的，则是增强的作用，负的话起减小的作用。绝对值越大，影响越大。若界面失效面积的影响程度最大，则需要改变粘接前的表面处理方式。
在另一实施例中，提供了一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，具体方法如下：
设计、加工胶粘剂哑铃试件，参考国际标准NF ISO 527–2，如图1-2所示(a＝22mm，b＝10mm，c＝60mm，e＝150mm，R＝60mm)，哑铃试件的厚度为f＝2mm，胶粘剂选用
Figure BDA0002076089500000067
2015。
设计、加工金属对接接头，参考GB/T 6329-1996标准，如图3-5所示(d＝25mm，g＝100mm，i＝0.2mm，j＝20mm，h＝200.2mm)，粘接基材选用铝合金(100)6005A，胶粘剂200选用
Figure BDA0002076089500000071
2015。
采用万能拉伸试验机对未老化胶黏剂哑铃试件进行准静态失效测试，获得未老化胶黏剂哑铃试件的失效载荷为FY0＝448N，测试断口处横截面的长和宽，计算横截面积为SY0＝20mm2，计算未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度为PY0＝22.4MPa。
采用万能拉伸试验机对未老化金属对接接头进行准静态失效测试，获得未老化金属对接接头的失效载荷为FJ0＝16168N，测试失效断面中内聚失效的面积为SJ0＝625mm2，内聚失效断面如图6所示，计算未老化金属对接接头的失效强度为PJ0＝25.87MPa。若未老化金属粘接接头失效断面存在界面失效，则说明加工制造工艺存在问题，该测试无效，需要重新测试；
采用高温干燥箱，设定80℃对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属对接接头进行高温老化30天，高温老化过程中相对湿度控制在20％以下；
对老化后的哑铃试件进行准静态失效测试，获得老化后胶黏剂哑铃试件的失效载荷为FY1＝693N，测试断口处横截面的长和宽，计算横截面积为SY1＝19.4mm2，计算未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度为PY1＝35.72MPa，计算温度老化对哑铃试件失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000072
即为胶粘剂对温度老化后金属对接接头失效强度的影响程度；
对老化后金属对接接头进行准静态失效测试，获得老化后金属对接接头的失效载荷为FJ1＝21450N，失效断面如图7所示(其中A为界面失效区域)；测试失效断面中内聚失效面积为SJ1＝614.39mm2和界面失效面积为SJ2＝10.61mm2；
计算老化后金属对接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度为PJ1＝34.32MPa，计算没有考虑界面失效面积时温度老化对对接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000073
计算老化后金属对接接头考虑界面失效面积时的失效强度为PJ2＝34.91MPa，计算考虑界面失效面积时温度老化对对接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000074
计算界面失效面积对接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000075
计算热应力对粘接接头失效强度的影响程度
Figure BDA0002076089500000081
为提高分析精度，每个测试重复了4次，以上数据均为平均值。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、分别对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行准静态失效测试，并计算未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度和未老化金属粘接接头的失效强度；
步骤二、对未老化胶黏剂哑铃试件和未老化金属粘接接头进行老化试验得老化后胶黏剂哑铃试件和老化后金属粘接接头；
步骤三、分别对老化后胶黏剂哑铃试件和老化后粘接接头进行准静态失效测试，分别计算得到老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度和老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度；
步骤四、计算胶黏 剂对温度老化后金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure FDA0002076089490000014
Figure FDA0002076089490000011
其中，PY1为老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度，PY0为未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度；
计算没有考虑界面失效面积时温度老化对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure FDA0002076089490000015
Figure FDA0002076089490000012
其中，PJ1为老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度，PJ0为未老化金属粘接接头的失效强度；
计算考虑界面失效面积时温度老化对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure FDA0002076089490000016
Figure FDA0002076089490000013
其中，PJ2为老化后金属粘接接头考虑界面失效面积时的失效强度；
计算界面失效面积对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure FDA0002076089490000017
Figure FDA0002076089490000021
计算热应力对金属粘接接头失效强度的影响程度
Figure FDA0002076089490000027
Figure FDA0002076089490000022
2.根据权利要求1所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，所述未老化胶黏剂哑铃试件的失效强度PY0计算方法为：
Figure FDA0002076089490000023
其中，FY0为未老化胶黏剂哑铃试件的失效载荷，SY0为未老化胶黏剂哑铃试件的横截面积。
3.根据权利要求2所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，所述未老化金属粘接接头的失效强度PJ0计算方法为：
Figure FDA0002076089490000024
其中，FJ0为未老化金属粘接接头的失效载荷，SJ0为未老化金属粘接接头的横截面积。
4.根据权利要求3所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，所述老化后胶黏剂哑铃试件的失效强度PY1计算方法为：
Figure FDA0002076089490000025
其中，FY1为老化后胶黏剂哑铃试件的失效载荷，SY1为老化后胶黏剂哑铃试件的横截面积。
5.根据权利要求4所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，所述老化后金属粘接接头没有考虑界面失效面积时的失效强度PJ1计算方法为：
Figure FDA0002076089490000026
其中，FJ1为老化后金属粘接接头的失效载荷，SJ1为准静态失效测试时失效断面中内聚失效面积，SJ2为准静态失效测试时失效断面中界面失效面积。
6.根据权利要求5所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，所述老化后金属粘接接头考虑界面失效面积时的失效强度PJ2计算方法为：
Figure FDA0002076089490000031
7.根据权利要求1所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，
在所述步骤二中，所述老化试验中的温度为固定温度或循环温度或任意变化的温度。
8.根据权利要求7所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，
在所述老化试验中，相对湿度控制在20％以下。
9.根据权利要求8所述的金属粘接接头在温度环境中的老化影响程度计算方法，其特征在于，
所述金属粘接接头为金属粘接对接接头。
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