CN116822235A - 一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，涉及惯性导航技术领域；该方法包括如下步骤：步骤一：构建表征惯性器件用胶粘剂固化过程的数值模型并使用Fortran语言编译有限元软件用户材料子程序；步骤二：基于非等温DSC实验结果获得胶粘剂的固化总放热量及现有固化工艺下的胶粘剂固化度。本发明的优化与评估方法，构建了胶粘剂的固化过程数值模型，通过对ABABQUS用户材料子程序的二次开发，实现了胶粘剂的固化过程实时温度、应力应变分布可视化，获得了胶粘剂的优选固化工艺，并通过等尺寸实验验证了仿真模型的准确性，为惯性器件的结构应力评估、工艺优化改进及产品性能提升提供有效支撑。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法。
背景技术
惯性导航系统具有全自主、连续实时、隐蔽性好、抗干扰能力强、不受地域与气象条件限制等优点，广泛应用于航空、航天、航海等重要领域，用于导航与制导。惯性器件作为惯性导航系统的核心元器件，主要测量载体在空间中的运动状态，为惯性导航系统的定位及导航提供位置、速度、姿态等即时信息，因此惯性器件的性能直接决定了惯性导航系统的精度。
惯性器件结构精密复杂，结构的微小应力变化会引起产品性能的变化，如何降低结构应力、提升产品性能稳定性已成为惯性器件制造中的关键问题。由于惯性器件结构中多处使用了热固性胶粘剂进行连接，其在固化过程中会引入固化应力，影响惯性器件的性能；甚至，固化应力过大会引起脱粘、结构开裂等现象，导致惯性器件失效，严重影响装备服役可靠性。因此，需对惯性器件用胶粘剂的固化应力进行研究，通过优化胶粘剂的固化工艺参数，降低固化应力。
当前针对惯性器件用胶粘剂的研究主要集中于胶接工艺误差以及胶粘剂服役过程性能研究上，对涉及胶粘剂的固化工艺研究较少。例如郭彩在2017年的论文《胶粘剂对微小加速度计零位偏值的影响》中通过数值模型研究了胶粘剂的典型工艺误差对加速度计零位偏值的影响，但其将胶粘剂的固化过程视为线性过程，仅考虑了材料热不匹配产生的热应力，未涉及胶粘剂在固化过程中产生的固化应力；丁姝在2021年的论文《粘接胶粘弹性对加速度计热应力的影响研究》中研究了粘接胶的粘弹性对硅微谐振式加速度计热应力的影响，其采用粘弹性模型表征了胶粘剂的固化降温过程，但未考虑胶粘剂固化降温前产生的应力对加速度计性能的影响。
经检索，中国专利申请号为CN202111048860.9的专利，公开了一种聚氨酯弹性体与刚性基材粘接用胶粘剂及评价方法。其制备原料包括6～12wt％的酚醛树脂、6～12wt％的聚乙烯醇缩醛树脂、0.1～1wt％的固化剂、0.1～15wt％的助剂和余量的溶剂。上述专利中的评价方法存在以下不足：其主要是对胶粘剂的使用效果的评价，并不能够从应力演变的角度对胶粘剂成型工艺进行评价和优化。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：构建表征惯性器件用胶粘剂固化过程的数值模型并使用Fortran语言编译有限元软件用户材料子程序；
步骤二：基于非等温DSC实验结果获得胶粘剂的固化总放热量及现有固化工艺下的胶粘剂固化度；
步骤三：开展不同固化工艺下的胶粘剂数值仿真，并采用光纤光栅传感器记录胶粘剂在不同固化工艺下的实时温度与应变，验证模型的准确性；
步骤四：开展胶粘剂的固化工艺仿真分析与优化，获得一种低应力的固化工艺并评估其固化度与固化收缩应变；
步骤五：构建粘胶硅片模型，开展两种固化工艺下的粘胶硅片仿真，对比两种工艺下的应力，验证优化工艺的有效性。
优选的：所述的步骤一的实施，具体包括：
S11：首先构建惯性器件用胶粘剂的固化过程热力耦合数值模型，具体包括热传导过程模型与应力演变过程模型；
S12：其次通过Fortran语言表征胶粘剂非线性参数的数学模型与温度边界条件，其中HETVAL子程序表达胶粘剂在固化过程中的放热量；DISP子程序表达温度边界随时间的变化，即温度边界条件；SDVINI子程序表达胶粘剂固化度等状态变量及其初始值；UEXPAN子程序表达胶粘剂在固化过程中的热膨胀和化学收缩模型；UMAT子程序定义胶粘剂的固化本构模型；
S13：将表征热传导过程的HETVAL、DISP、SDVINI子程序放入同一个文件中，设置文件名称为温度场程序，再将表征应力演变过程的UEXPAN、UMAT放入另外一个文件中，设置文件名称为应力应变场程序。
优选的：所述热传导过程模型主要表征胶粘剂内部的固化度、温度变化过程，具体包括傅里叶热传导方程、固化放热方程与固化动力学方程。
优选的：所述热传导过程模型的傅里叶热传导方程描述胶粘剂内部的热量传递过程、固化放热方程描述胶粘剂的反应放热量，分别由如下公式进行计算：
式中，ρ为胶粘剂密度，CP为胶粘剂比热容，k为胶粘剂导热系数，q为胶粘剂固化放热产生的热量；式中等号左侧表示胶粘剂升温所需的热量，等号右侧表示x、y、z三个方向传入胶粘剂的热量；其中胶粘剂固化放热量q如下：
式中，ρ为胶粘剂密度，ΔH为胶粘剂固化的总放热量，为胶粘剂的固化反应速率，由固化动力学方程表达。
优选的：所述应力演变过程模型主要表征胶粘剂内部的应力应变变化过程，具体包括固化本构模型与玻璃化转变温度模型，采用如下公式：
Δσi＝CijΔεj
其中，Δσi为应力增量，Cij为刚度矩阵，Δεj为应变增量；
式中，Tg为胶粘剂的玻璃化转变温度，Tg0为胶粘剂未固化时的玻璃化转变温度，Tg∞为胶粘剂完全固化时的玻璃化转变温度，λ为拟合系数，a为胶粘剂的固化度。
优选的：所述的步骤二为：对胶粘剂开展不同升温速率下的热流测定实验，再对热流曲线积分得到胶粘剂的总放热量ΔH，其次测定现有固化工艺下的胶粘剂热流密度，并进行积分得到该工艺下的放热量ΔH1，再将放热量ΔH1除以胶粘剂的总热量ΔH即可获得现有固化工艺下的胶粘剂固化度。
优选的：所述胶粘剂的实时放热量及固化度计算采用如下公式：
式中：H(t)为实时放热量，Q(t)为DSC测得的热流密度，t0、t1分别代表测试起始时间与终止时间，a(t)表示实时固化度，ΔH为固化反应总放热量。
优选的：所述的步骤三为：开展不同固化工艺下的胶粘剂固化仿真，并采用光纤光栅传感器获得胶粘剂在不同固化工艺下的实时温度与应变，同时设置误差组消除模具与烘箱内部温度变化引入的误差，对比实验与仿真的结果，验证仿真模型的准确性。
优选的：所述的步骤四为：将单恒温段的固化工艺改进为阶梯固化工艺，其中一阶段为预固化阶段，在此基础上开展不同工艺参数下的仿真分析，获得一种低应力的优选固化工艺，并采用步骤二中所述实验方法评估优选固化工艺的固化度，再运用步骤三中所述实验方法记录胶粘剂的实时温度与应变，对比实验与仿真结果，验证仿真结果的可靠性。
优选的：所述的步骤五为：根据惯性器件核心结构构建粘胶硅片模型，并进行不同固化工艺下的粘胶硅片仿真，对比两种工艺下的粘胶硅片固化应力，评估优选固化工艺的有效性。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供了一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，构建了胶粘剂的固化过程数值模型，通过对ABABQUS用户材料子程序的二次开发，实现了胶粘剂的固化过程实时温度、应力应变分布可视化，获得了胶粘剂的优选固化工艺，并通过等尺寸实验验证了仿真模型的准确性，为惯性器件的结构应力评估、工艺优化改进及产品性能提升提供有效支撑。
2.本发明提供了一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，开展了理论研究、数值建模仿真、物理实验验证，对比了不同固化工艺下的粘胶硅片固化应力，结果证明优选固化工艺可有效降低固化应力，该方法具有很高的工程意义。
3.本发明提出的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，可拓展应用于其他种类的热固性胶粘剂及其胶接结构的低应力固化成型工艺设计与评估中，具有很强的普适性与通用性。
附图说明
图1为惯性器件结构图；
图2为不同升温速率下的胶粘剂热流曲线图；
图3为现有固化工艺下的胶粘剂热流曲线图；
图4为现有固化工艺120℃1h仿真结果的温度曲线图；
图5为现有固化工艺120℃1h仿真结果的应变曲线图；
图6为固化工艺90℃0.5h-100℃0.5h仿真结果的温度曲线图；
图7为固化工艺90℃0.5h-100℃0.5h仿真结果的应变曲线图；
图8为现有固化工艺120℃1h实验结果的温度曲线图；
图9为现有固化工艺120℃1h实验结果的应变曲线图；
图10为固化工艺90℃0.5h-100℃0.5h实验结果的温度曲线图；
图11为固化工艺90℃0.5h-100℃0.5h实验结果的应变曲线图；
图12为优选固化工艺40℃3h-90℃3h仿真结果的温度曲线图；
图13为优选固化工艺40℃3h-90℃3h仿真结果的应变曲线图；
图14为优选固化工艺40℃3h-90℃3h热流曲线图；
图15为优选固化工艺40℃3h-90℃3h实验结果的温度曲线图；
图16为优选固化工艺40℃3h-90℃3h实验结果的应变曲线图；
图17为粘胶硅片数值模型；
图18为现有固化工艺120℃1h的粘胶硅片应力云图；
图19为优选固化工艺40℃3h-90℃3h的粘胶硅片应力云图；
图20为现有固化工艺120℃1h的硅片应力云图；
图21为优选固化工艺40℃3h-90℃3h的硅片应力云图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1：
一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，包括：
步骤一：构建表征胶粘剂固化过程的数值模型；
(1)惯性器件核心结构如图1所示，三角架和支座通过胶粘剂进行连接，因此首先构建惯性器件用胶粘剂的固化过程热力耦合数值模型，具体包括热传导过程模型与应力演变过程模型；
(2)首先构建胶粘剂的热传导过程模型，胶粘剂的热传导过程通过傅里叶热传导方程与固化放热方程表征，其中傅里叶热传导方程描述胶粘剂内部的热量传递过程、固化放热方程描述胶粘剂的反应放热量，分别由如下公式进行计算；
式中，ρ为胶粘剂密度，CP为胶粘剂比热容，k为胶粘剂导热系数，q为胶粘剂固化放热产生的热量。式中等号左侧表示胶粘剂升温所需的热量，等号右侧表示x、y、z三个方向传入胶粘剂的热量。
式中，ρ为胶粘剂密度，ΔH为胶粘剂固化的总放热量，为胶粘剂的固化反应速率，由固化动力学方程表达：
式中A为指前因子，Ea为反应活化能，R为摩尔气体常数，其值为8.314J/(mol·K)，a为胶粘剂的固化度，m、n为反应级数。
固化动力学方程参数如下式中所示，其余各参数见下表1：
表1胶粘剂的热传导过程材料参数
(3)其次构建胶粘剂的应力演变过程模型，胶粘剂的应力演变过程运用玻璃化温度模型、固化本构模型与固化应变模型进行表征。
胶粘剂固化本构模型的增量形式为：
Δσi＝CijΔεj
式中Δσi为应力增量，Cij为刚度矩阵，Δεj为应变增量。
刚度矩阵由下式表达：
其中为Lame弹性常数，/>为胶粘剂剪切模量，由下式表达，v为泊松比：
其中为胶粘剂完全固化后未松弛时的模量，/>为胶粘剂未固化、完全松弛时的模量(通常取/>)，T*＝g()-T，Tc1、Tc2为T*的边界值，Tg()为玻璃化温度与固化度的关系函数。
玻璃化温度函数由下式计算：
式中，Tg为胶粘剂的玻璃化转变温度，Tg0为胶粘剂未固化时的玻璃化转变温度，Tg∞为胶粘剂完全固化时的玻璃化转变温度，λ为拟合系数，a为胶粘剂的固化度。
胶粘剂的应变增量由下式表达：
Δε＝Δεche+Δεthe
其中Δεche为固化收缩应变，Δεthe为热膨胀应变，分别由如下公式表征：
式中，am为胶粘剂的热膨胀系数，an为胶粘剂的化学收缩系数。
应力演变过程各参数见下表2
表2应力应变场材料参数
(4)通过Fortran语言表达步骤一中所构建的数学模型与温度边界条件，其中HETVAL子程序表达胶粘剂在固化过程中的放热量；DISP子程序表达温度边界随时间的变化，即温度边界条件；SDVINI子程序表达胶粘剂固化度等状态变量及其初始值；UEXPAN子程序表达胶粘剂在固化过程中的热膨胀和化学收缩模型；UMAT子程序定义胶粘剂的固化本构模型。
(5)先将表征热传导过程的HETVAL、DISP、SDVINI子程序放入同一个文件中，设置文件名称为温度场程序，再将表征应力演变过程的UEXPAN、UMAT放入另外一个文件中，设置文件名称为应力应变场程序。
步骤二：基于非等温差示扫描量热实验结果获得胶粘剂的固化总放热量及现有固化工艺下的胶粘剂固化度；
(1)开展不同升温速率下的胶粘剂热流测定实验，热流曲线见附图2，对三条热流曲线积分并取平均值获得胶粘剂的总放热量ΔH为286.775J/g。
胶粘剂的实时放热量H(t)计算公式如下
式中Q(t)为DSC测得的热流密度，t0、t1分别代表测试起始时间与终止时间。
(2)现有固化工艺下的胶粘剂热流曲线见附图3，对该曲线积分获得现有固化工艺下的胶粘剂放热量ΔH1为284.560J/g，将该放热量ΔH1除以胶粘剂的总热量ΔH即可获得现有固化工艺下的胶粘剂固化度a为99.147％，通常胶粘剂的固化度大于98％即可判定为完全固化。
胶粘剂的固化度a计算公式如下：
a(t)表示实时固化度，ΔH为固化反应总放热量。
步骤三：开展不同固化工艺下的胶粘剂数值仿真，并采用光纤光栅传感器记录胶粘剂在不同固化工艺下的实时温度与应变，验证模型的准确性；
(1)开展不同固化工艺下的胶粘剂仿真，提取胶粘剂实时温度与应变；
(2)将光纤光栅传感器测试组件埋入胶粘剂内部，开展不同固化工艺下的胶粘剂固化温度与固化应变测试，并采用多个光纤光栅传感器消除模具及烘箱内部温度波动误差，获得胶粘剂的实时温度与固化应变；
(3)将120℃1h与90℃0.5h-100℃0.5h下的胶粘剂仿真结果与实验结果汇总至下表3，由表中结果可知，仿真与实验的误差均小于20％，证明仿真模型具有较高的准确性，可基于该模型开展后续的固化工艺仿真分析与优化；
表3不同固化工艺下的胶粘剂仿真与实验结果
步骤四：进行胶粘剂固化工艺优化仿真，计算固化过程中胶粘剂的固化度、温度和应力应变变化，并采用光纤光栅传感器评估温度与应变仿真结果的准确度；
(1)首先将单恒温段的固化工艺改进为阶梯固化工艺，其中一阶段为预固化阶段，在此基础上开展不同工艺温度、时间参数下的仿真分析，获得一种低应力的优选固化工艺40℃3h-90℃3h；
(2)采用步骤二中所述实验方法评估优选固化工艺的固化度，计算得到的胶粘剂固化度a为98.1％，证明优选固化工艺下的胶粘剂可完全固化，再运用步骤三中所述实验方法记录胶粘剂的实时温度与应变；
(3)将固化工艺为40℃3h-90℃3h下的仿真与实验结果汇总至下表4，从表中可知仿真与实验的误差均小于5％，可基于该仿真模型进一步开展不同固化工艺下的粘胶硅片仿真，定量评估固化工艺对粘胶硅片固化应力的影响。
表4不同固化工艺下的胶粘剂仿真与实验结果
步骤五：根据惯性器件核心结构构建粘胶硅片模型，并进行不同固化工艺下的粘胶硅片仿真，对比两种工艺下的应力与变形，评估优选固化工艺的有效性；
(1)胶接结构数值模型，其中硅片尺寸为45mm×8mm×0.45mm，胶层尺寸为30mm×8mm×0.05mm；
(2)进行不同固化工艺下的粘胶硅片仿真，由下表5的仿真结果可知，优选固化工艺可降低硅片应力60％，表明该优选固化工艺可有效降低粘胶硅片应力，实现惯性器件胶粘剂的低应力固化成型。
表5不同固化工艺下的粘胶硅片仿真结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：构建表征惯性器件用胶粘剂固化过程的数值模型并使用Fortran语言编译有限元软件用户材料子程序；
步骤二：基于非等温DSC实验结果获得胶粘剂的固化总放热量及现有固化工艺下的胶粘剂固化度；
步骤三：开展不同固化工艺下的胶粘剂数值仿真，并采用光纤光栅传感器记录胶粘剂在不同固化工艺下的实时温度与应变，验证模型的准确性；
步骤四：开展胶粘剂的固化工艺仿真分析与优化，获得一种低应力的固化工艺并评估其固化度与固化收缩应变；
步骤五：构建粘胶硅片模型，开展两种固化工艺下的粘胶硅片仿真，对比两种工艺下的应力，验证优化工艺的有效性。
2.根据权利要求1所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述的步骤一的实施，具体包括：
S11：首先构建惯性器件用胶粘剂的固化过程热力耦合数值模型，具体包括热传导过程模型与应力演变过程模型；
S12：其次通过Fortran语言表征胶粘剂非线性参数的数学模型与温度边界条件，其中HETVAL子程序表达胶粘剂在固化过程中的放热量；DISP子程序表达温度边界随时间的变化，即温度边界条件；SDVINI子程序表达胶粘剂固化度等状态变量及其初始值；UEXPAN子程序表达胶粘剂在固化过程中的热膨胀和化学收缩模型；UMAT子程序定义胶粘剂的固化本构模型；
S13：将表征热传导过程的HETVAL、DISP、SDVINI子程序放入同一个文件中，设置文件名称为温度场程序，再将表征应力演变过程的UEXPAN、UMAT放入另外一个文件中，设置文件名称为应力应变场程序。
3.根据权利要求2所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述热传导过程模型主要表征胶粘剂内部的固化度、温度变化过程，具体包括傅里叶热传导方程、固化放热方程与固化动力学方程。
4.根据权利要求3所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述热传导过程模型的傅里叶热传导方程描述胶粘剂内部的热量传递过程、固化放热方程描述胶粘剂的反应放热量，分别由如下公式进行计算：
式中，ρ为胶粘剂密度，CP为胶粘剂比热容，k为胶粘剂导热系数，q为胶粘剂固化放热产生的热量；式中等号左侧表示胶粘剂升温所需的热量，等号右侧表示x、y、z三个方向传入胶粘剂的热量；其中胶粘剂固化放热量q如下：
式中，ρ为胶粘剂密度，ΔH为胶粘剂固化的总放热量，为胶粘剂的固化反应速率，由固化动力学方程表达。
5.根据权利要求4所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述应力演变过程模型主要表征胶粘剂内部的应力应变变化过程，具体包括固化本构模型与玻璃化转变温度模型，采用如下公式：
Δσi＝CijΔεj
其中，Δσi为应力增量，Cij为刚度矩阵，Δεj为应变增量；
式中，Tg为胶粘剂的玻璃化转变温度，Tg0为胶粘剂未固化时的玻璃化转变温度，Tg∞为胶粘剂完全固化时的玻璃化转变温度，λ为拟合系数，a为胶粘剂的固化度。
6.根据权利要求1所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述的步骤二为：对胶粘剂开展不同升温速率下的热流测定实验，再对热流曲线积分得到胶粘剂的总放热量ΔH，其次测定现有固化工艺下的胶粘剂热流密度，并进行积分得到该工艺下的放热量ΔH1，再将放热量ΔH1除以胶粘剂的总热量ΔH即可获得现有固化工艺下的胶粘剂固化度。
7.根据权利要求6所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述胶粘剂的实时放热量及固化度计算采用如下公式：
式中：H(t)为实时放热量，Q(t)为DSC测得的热流密度，t0、t1分别代表测试起始时间与终止时间，a(t)表示实时固化度，ΔH为固化反应总放热量。
8.根据权利要求1所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述的步骤三为：开展不同固化工艺下的胶粘剂固化仿真，并采用光纤光栅传感器获得胶粘剂在不同固化工艺下的实时温度与应变，同时设置误差组消除模具与烘箱内部温度变化引入的误差，对比实验与仿真的结果，验证仿真模型的准确性。
9.根据权利要求1所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述的步骤四为：将单恒温段的固化工艺改进为阶梯固化工艺，其中一阶段为预固化阶段，在此基础上开展不同工艺参数下的仿真分析，获得一种低应力的优选固化工艺，并采用步骤二中所述实验方法评估优选固化工艺的固化度，再运用步骤三中所述实验方法记录胶粘剂的实时温度与应变，对比实验与仿真结果，验证仿真结果的可靠性。
10.根据权利要求1所述的一种惯性器件用热固性胶粘剂成型工艺优化与评估方法，其特征在于，所述的步骤五为：根据惯性器件核心结构构建粘胶硅片模型，并进行不同固化工艺下的粘胶硅片仿真，对比两种工艺下的粘胶硅片固化应力，评估优选固化工艺的有效性。
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