CN110907264A - 一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法 - Google Patents

一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，包括步骤1：对粘接接头在不同服役温度下测试准静态失效载荷，获取没有老化的粘接接头的服役温度因子，得到没有老化粘接接头的服役温度因子函数ωTf＝f(T)；步骤2：对粘接接头进行不同时间的加速老化，并在常温下进行准静态失效载荷测试，获取老化粘接接头在常温下的老化因子；并得到老化粘接接头在常温下的老化因子函数ωTcg＝g(Tc)；步骤3：对粘接接头进行不同时间的加速老化，并在不同服役温度下进行准静态失效载荷测试，获取粘接接头的湿热老化与服役温度耦合因子，得到耦合因子函数C(Tc‑T)h＝h(Tc,T)；步骤4：获取任意老化时间Tci后的粘接接头在任意服役温度Tj的失效载荷。

Description

一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预 测方法
技术领域
本发明涉及汽车、机车和飞机等领域的粘接接头失效载荷预测方法，更具体的是，本发明涉及一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法。
背景技术
为了实现轻量化设计，高强钢、铝合金、镁合金、纤维增强树脂复合材料(FRP)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，因此逐渐应用于同种材料和异种材料之间的连接。粘接接头在长期的服役过程中会发生湿热老化，老化之后的粘接接头需要在不同服役温度区间服役，湿热老化与服役温度还存在耦合作用，因此，对粘接接头在湿热老化与服役温度耦合作用下的失效预测具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，通过对粘接接头在湿热老化与服役温度耦合作用的进行失效预测，建立了更加符合实际服役环境的粘接接头失效预测方法。
本发明提供的技术方案为：
一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，包括如下步骤：
步骤1：取一组没有老化的粘接接头，在不同服役温度下测试准静态失效载荷，并获取所述没有老化的粘接接头的服役温度因子：
Figure BDA0002314132760000011
式中，ωT为没有老化粘接接头在服役温度T时的温度因子，FT为没有老化粘接接头在服役温度T时的失效载荷，F20为没有老化粘接接头在常温20℃时的失效载荷；
对所述没有老化的粘接接头的服役温度因子进行曲线拟合，得到没有老化粘接接头的服役温度因子函数ωTf＝f(T)；
步骤2：对粘接接头进行不同时间的加速老化，并在常温下进行准静态失效载荷测试，获取老化粘接接头在常温下的老化因子：
Figure BDA0002314132760000021
式中，ωTc为老化时间Tc的粘接接头在常温的老化因子，FTc为老化时间Tc的粘接接头在在常温下的失效载荷，F20为没有老化的粘接接头在常温下的失效载荷；
对老化粘接接头的老化因子进行曲线拟合，得到老化粘接接头在常温下的老化因子函数ωTcg＝g(Tc)；
步骤3：对粘接接头进行不同时间的加速老化，并在不同服役温度下进行准静态失效测试，获得湿热老化与服役温度耦合因子：
Figure BDA0002314132760000022
式中，CTc-T为湿热老化与服役温度耦合因子，FTc-T为老化时间Tc的粘接接头在服役温度T下的失效载荷；
对湿热老化与服役温度耦合因子进行曲面拟合，得到耦合因子函数C(Tc-T)h＝h(Tc,T)；
步骤4：获取任意老化时间Tci的粘接接头在任意服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)·h(Tc,T)；
式中，FTci-Tj为老化时间Tci的粘接接头在服役温度Tj的失效载荷。
优选的是，所述耦合因子C(Tc-T)h＝1；
所述任意老化时间Tci的粘接接头在任意服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)。
优选的是，还包括粘接接头的制备，粘接基材为铝合金或玄武岩纤维增强材料，胶粘剂选用
Figure BDA0002314132760000031
2015。
优选的是，所述没有老化粘接接头的服役温度因子函数为：
ωTf＝f(T)＝-6×10-5T2-4.7×10-3T+1.12；
式中，T服役温度，且T的范围为-40℃～80℃。
优选的是，所述老化粘接接头在常温下的老化因子函数为：
ωTcg＝1.1×10-3Tc 2-0.039Tc+1；
式中，Tc为老化时间，且Tc的范围为0～15。
优选的是，所述耦合因子函数为：
Figure BDA0002314132760000032
优选的是，在进行失效载荷测试时，每个测试重复4次，并取平均值。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明提供的湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，考虑了湿热老化和服役温度两种环境特点对粘接接头失效载荷的影响，失效载荷预测方法更加符合汽车的实际服役环境，预测方法更加准确。
(2)为了简化预测难度，提出了湿热老化与服役温度耦合因子近似取1的方法，通过未老化粘接接头在不同服役温度下的失效载荷和老化后的粘接接头在常温下的失效载荷，就能能够快速预测任意老化时间后的粘接接头在任意服役温度下的失效载荷。
附图说明
图1为本发明实施例所述粘接接头的尺寸结构示意图。
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。
本发明提供一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，包括如下步骤：
步骤1：设计、加工粘接接头，对没有老化的粘接接头，在不同服役温度T下测试准静态失效载荷，其中服役温度应该包括常温(20℃)。
计算没有老化的粘接接头服役温度因子：
Figure BDA0002314132760000041
式中，ωT表示没有老化粘接接头在服役温度T时的温度因子，FT表示没有老化粘接接头在服役温度T时的失效载荷，F20表示没有老化粘接接头在常温(20℃)时的失效载荷。
对服役温度因子进行曲线拟合，得到没有老化粘接接头的服役温度因子函数ωTf＝f(T)。
步骤2：对粘接接头进行不同时间Tc的加速老化，在常温(20℃)对其进行准静态失效载荷测试，其中不同老化周期应该包括老化时间为0(即没有老化)。
计算粘接接头在常温(20℃)条件下的老化因子：
Figure BDA0002314132760000042
式中，ωTc表示老化时间Tc的粘接接头在常温(20℃)的老化因子，FTc表示老化时间Tc后的粘接接头在在常温(20℃)的失效载荷，F20表示没有老化粘接接头在常温(20℃)的失效载荷。
对粘接接头的老化因子进行曲线拟合，得到粘接接头在在常温(20℃)下的老化因子函数ωTcg＝g(Tc)。
步骤3：对粘接接头进行不同时间Tc的加速老化，然后在不同服役温度T下进行准静态失效测试，获得失效载荷FTc-T，FTc-T表示老化时间Tc的粘接接头在服役温度T下的失效载荷。
计算湿热老化与服役温度耦合因子：
Figure BDA0002314132760000043
式中，CTc-T为湿热老化与服役温度耦合因子，FTc-T为老化时间Tc的粘接接头在服役温度T下的失效载荷。
对湿热老化与服役温度耦合因子进行曲面拟合，得到耦合因子函数C(Tc-T)h＝h(Tc,T)。
步骤4：获取老化时间Tci的粘接接头在服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)·h(Tc,T)；
式中，FTci-Tj为老化时间Tci的粘接接头在服役温度Tj的失效载荷。
有的粘接接头湿热老化与服役温度耦合因子在1附近，因此，为了简化试验流程和工作量，耦合因子可以近似取1。
若耦合因子取1，则省略步骤3，任意老化时间Tci后的粘接接头在任意服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)。
实施例
本实施例提供了湿热老化与服役温度耦合作用下的金属粘接接头失效载荷预测方法，具体步骤如下：
步骤1：设计、加工单搭接接头，几何尺寸如图1所示，粘接基材采用铝合金、玄武岩纤维增强材料(BFRP)，胶粘剂选用
Figure BDA0002314132760000051
2015。
步骤2：对没有老化的粘接接头，在不同服役温度-40℃、20℃、80℃下测试准静态失效载荷，其中服役温度应该包括常温(20℃)。
计算没有老化的粘接接头服役温度因子
Figure BDA0002314132760000052
Figure BDA0002314132760000053
对服役温度因子进行曲线拟合，得到没有老化粘接接头的服役温度因子函数ωTf＝f(T)＝-6×10-5T2-4.7×10-3T+1.12，T的范围为-40℃～80℃。
步骤3：对粘接接头在高温高湿(80℃，95％相对湿度)中进行0天，5天，10天，15天的加速老化，在常温(20℃)对准静态失效载荷进行测试，其中不同老化周期应该包括老化时间为0(即没有老化)。
计算粘接接头在常温(20℃)条件下的老化因子
Figure BDA0002314132760000054
Figure BDA0002314132760000055
对粘接接头的老化因子进行曲线拟合，得到粘接接头在在常温(20℃)下的老化因子函数ωTcg＝1.1×10-3Tc 2-0.039Tc+1，Tc的范围为0～15。
步骤4：对粘接接头进行0天，5天，10天，15天的加速老化，然后在不同服役温度-40℃、20℃、80℃下进行准静态失效测试，获得失效载荷FTc-T，FTc-T表示老化时间Tc的粘接接头在服役温度T下的失效载荷。如表1所示。
表1老化时间T的粘接接头在服役温度T下的失效载荷
F<sub>Tc-T</sub>(N) -40℃ 20℃ 80℃
0天 8100.00 6668.75 2481.25
5天 7242.33 5788.50 2253.67
10天 7326.67 4695.25 2108.83
15天 6776.67 4437.50 1412.17
计算湿热老化与服役温度耦合因子
Figure BDA0002314132760000061
CTc-T表示老化时间Tc与服役温度T耦合作用下的粘接接头的耦合因子。如表2所示。
表2粘接接头的耦合因子
C<sub>Tc-T</sub> -40℃ 20℃ 80℃
0天 1 1 1
5天 1.03 1 1.05
10天 1.28 1 1.2
15天 1.25 1 0.85
对不同湿热老化时间与不同服役温度耦合因子
Figure BDA0002314132760000062
进行曲面拟合，得到耦合因子函数：
Figure BDA0002314132760000063
步骤5：获取老化时间Tci的粘接接头在服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)·h(Tc,T)。
可以计算任意老化时间如Tci＝12天后的粘接接头在任意服役温度如Tj＝30℃的失效载荷为4359.8N。
有的粘接接头湿热老化与服役温度耦合因子在1附近，因此，为了简化试验流程和工作量，耦合因子可以近似取1。
若本次计算中，耦合因子取1，则省略步骤4，任意老化时Tci＝12后的粘接接头在任意服役温度Tj＝30℃的失效载荷为4243.6N。
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。
本发明提供的湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，考虑了湿热老化和服役温度两种环境特点对粘接接头失效载荷的影响，失效载荷预测方法更加符合汽车的实际服役环境，预测方法更加准确。
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 (3)

1.一种湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取一组没有老化的粘接接头，在不同服役温度下测试准静态失效载荷，并获取所述没有老化的粘接接头的服役温度因子：
Figure FDA0002314132750000011
式中，ωT为没有老化粘接接头在服役温度T时的温度因子，FT为没有老化粘接接头在服役温度T时的失效载荷，F20为没有老化粘接接头在常温20℃时的失效载荷；
对所述没有老化的粘接接头的服役温度因子进行曲线拟合，得到没有老化粘接接头的服役温度因子函数ωTf＝f(T)；
步骤2：对粘接接头进行不同时间的加速老化，并在常温下进行准静态失效载荷测试，获取老化粘接接头在常温下的老化因子：
Figure FDA0002314132750000012
式中，ωTc为老化时间Tc的粘接接头在常温的老化因子，FTc为老化时间Tc的粘接接头在在常温下的失效载荷，F20为没有老化的粘接接头在常温下的失效载荷；
对老化粘接接头的老化因子进行曲线拟合，得到老化粘接接头在常温下的老化因子函数ωTcg＝g(Tc)；
步骤3：对粘接接头进行不同时间的加速老化，并在不同服役温度下进行准静态失效测试，获得湿热老化与服役温度耦合因子：
Figure FDA0002314132750000013
式中，CTc-T为湿热老化与服役温度耦合因子，FTc-T为老化时间Tc的粘接接头在服役温度T下的失效载荷；
对湿热老化与服役温度耦合因子进行曲面拟合，得到耦合因子函数C(Tc-T)h＝h(Tc,T)；
步骤4：获取任意老化时间Tci的粘接接头在任意服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)·h(Tc,T)；
式中，FTci-Tj为老化时间Tci的粘接接头在服役温度Tj的失效载荷。
2.如权利要求1所述的湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，其特征在于，所述耦合因子C(Tc-T)h＝1；
所述任意老化时间Tci的粘接接头在任意服役温度Tj的失效载荷为：
FTci-Tj＝F20·g(Tci)·f(Tj)。
3.如权利要求2所述的湿热老化与服役温度耦合作用下的粘接接头失效载荷预测方法，在进行失效载荷测试时，每个测试重复4次，并取平均值。
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