一種金屬與非金屬間的膠粘方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于飛行器結構熱強度【技術領域】，涉及一種金屬與非金屬間結構膠粘方法。本發(fā)明金屬與非金屬間的膠粘方法首先計算熱載荷下低膨脹合金帽的溫度，建立膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的函數(shù)關系，將膠粘劑受熱后的體積膨脹以壓力形式來體現(xiàn)，通過改變膠粘區(qū)域范圍計算得到錐殼孔邊環(huán)向應力值相對材料拉伸強度的關系，確定最佳壓力區(qū)間，將該最佳壓力區(qū)間作為膠粘劑最佳區(qū)域，進行膠粘。本發(fā)明在國內(nèi)首次提出并成功實現(xiàn)了高溫環(huán)境中金屬與非金屬間的膠粘方法，該方法涂膠范圍描述準確、操作工藝簡單、實施效果良好。
【專利說明】一種金屬與非金屬間的膠粘方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于飛行器結構熱強度【技術領域】，涉及一種非金屬錐殼結構膠粘方法。
【背景技術】
[0002]某結構在熱環(huán)境中使用，該結構由低膨脹合金帽與非金屬錐殼膠粘成密閉空間，外部承受持續(xù)高溫。傳統(tǒng)的膠粘方法是根據(jù)經(jīng)驗對低膨脹合金直桿與非金屬錐殼的開孔進行部分膠粘，無法準確地給出涂膠范圍:膠粘范圍過大，則由于持續(xù)加熱使膠粘劑受熱膨脹，進而導致非金屬錐殼孔邊應力增大，甚至超過非金屬材料的拉伸強度，造成低膨脹合金與非金屬錐殼連接部分產(chǎn)生非正常破壞；而當膠粘范圍過小，則有可能使低膨脹合金在振動實驗中松動、脫落，導致產(chǎn)品的失敗。
[0003]膠粘劑處于密閉空間，其溫度分布無法通過試驗來測定，必須采用數(shù)值模擬。由于膠粘劑材料的特殊性，對膠粘劑建立有限元模型進行數(shù)值模擬也無法準確地計算出膠粘劑的體積膨脹，必須采用新的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種涂膠范圍準確、可靠性高的非金屬錐殼結構膠粘方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案如下:一種非金屬錐殼膠粘方法，首先計算熱載荷下低膨脹合金帽的溫度，建立膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的函數(shù)關系，將膠粘劑受熱后的體積膨脹以壓力形式來體現(xiàn)，通過改變膠粘區(qū)域范圍計算得到錐殼孔邊環(huán)向應力值相對材料拉伸強度的關系，確定最佳壓力區(qū)間，將該最佳壓力區(qū)間作為膠粘劑最佳區(qū)域，進行膠粘。
[0006]所述的非金屬錐殼膠粘方法的具體過程如下:
[0007]步驟1:實驗測定低膨脹合金外表面溫度；
[0008]步驟2:根據(jù)低膨脹合金外表面溫度通過數(shù)值計算得到低膨脹合金整體溫度，把低膨脹合金直桿溫度作為膠粘劑溫度；
[0009]步驟3:先確定膠粘劑體積與膠粘溫度的關系，再根據(jù)溫度與壓力的關系，確定膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的函數(shù)關系式
[0010]P=K (t+r Δ T )
[0011]式中:P為壓力，單位為MPa ;K為分散系數(shù)，K取值范圍0.85?I ;r為擬合系數(shù)，一般為0.01?0.03 ；t為初始溫度，AT為膠粘劑溫度變化量，單位均為。C ；
[0012]步驟4:膠粘劑壓力作為載荷及非金屬錐殼外表面熱載荷聯(lián)合作用進行錐殼熱應力分析，通過改變膠粘區(qū)域范圍多次計算得到錐殼一系列孔邊環(huán)向應力值；
[0013]步驟5:確定出膠粘最佳范圍
[0014]拉伸允許范圍之內(nèi)的最大環(huán)向應力值所對應的位置為膠粘最長區(qū)間，膠粘最小區(qū)間不小于總區(qū)間的1/2。
[0015]所述總區(qū)間為雨蝕頭直桿長度。
[0016]本發(fā)明的有益效果，利用實驗和數(shù)值仿真相結合的方法，給出了合理的膠粘工藝，為產(chǎn)品的研制成功提供了技術保障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明膠粘區(qū)域剖面示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明方法的計算流程圖；
[0019]圖3是本發(fā)明低膨脹合金直桿特征點位置圖；
[0020]圖4是本發(fā)明高溫環(huán)境膠粘劑體積膨脹力測試示意圖；
[0021]圖5是本發(fā)明錐殼孔邊等效應力與材料拉伸強度對比關系；
[0022]圖6是最大涂I父范圍不意圖；
[0023]圖7最小涂I父范圍不意圖，
[0024]其中:1是金屬雨蝕頭，2是非金屬錐殼，3是膠粘區(qū)域，4是前端溫度點，5是中部溫度點，6是尾端溫度點，7是石英燈加熱器，8是膠，9活塞。
【具體實施方式】
[0025]發(fā)明原理:
[0026]非金屬錐殼結構頭部區(qū)域開孔，低膨脹合金帽以膠粘方式插入錐殼開孔區(qū)域形成密閉空間。在加熱實驗過程中錐殼孔邊經(jīng)常發(fā)生破裂，經(jīng)分析我們認為這種破裂現(xiàn)象是由膠粘劑體積膨脹力引起的。膠粘劑的體積膨脹力在真實結構中無法測試，應用數(shù)值仿真方法也同樣無法實現(xiàn)。采用數(shù)值仿真和實驗相結合的方法解決這一工程問題。通過實驗測定膠粘劑體積膨脹力與溫度的關系，通過數(shù)值模擬給出最佳膠粘區(qū)域范圍:首先計算熱載荷下低膨脹合金帽的溫度，由于膠粘劑很薄(2mm)，宏觀上可以認為低膨脹合金帽直桿的溫度為膠粘劑溫度；通過典型實驗建立膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的數(shù)學關系式；膠粘劑的體積膨脹力以均布壓力形式施加到錐殼孔內(nèi)，進行錐殼的熱應力分析；通過改變膠粘區(qū)域范圍多次計算得到錐殼一系列孔邊環(huán)向應力值，確定出膠粘最佳范圍，使得非金屬錐殼孔邊應力得到很好的控制，并且也防止了膠粘區(qū)過小造成在實際使用中因振動導致低膨脹合金帽脫落現(xiàn)象的發(fā)生。按照最佳膠粘范圍粘貼的結構在傳熱實驗中沒有發(fā)生破裂，低膨脹合金帽在振動實驗中也沒有發(fā)生脫落，說明采用實驗和數(shù)值模擬相結合方法的正確性。
[0027]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明:
[0028]步驟1:實驗測定低膨脹合金外表面溫度；
[0029]該結構在高溫環(huán)境中長時間工作，根據(jù)結構表面承受的熱流，通過熱實驗測試低膨脹合金外表面溫度和非金屬錐殼外表面溫度。測試的方法是用石英燈作為輻射熱源模擬氣動加熱，計算機控制石英燈，在低膨脹合金外表面粘貼熱電偶，通過熱電偶記錄結構表面溫度。
[0030]步驟2:根據(jù)低膨脹合金外表面溫度通過數(shù)值計算得到低膨脹合金整體溫度；
[0031]對低膨脹合金結構建立有限元模型，其外表面施加溫度載荷，通過NASTRAN的熱分析模塊計算出低膨脹合金結構溫度場，選取低膨脹合金直桿沿軸線的最高溫度的曲線上起點、中點及尾部各自溫度最高的三個時刻，提取此三個時刻的低膨脹合金直桿軸向的溫度分布。
[0032]步驟3:實驗確定膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的數(shù)學關系式；[0033]在活塞腔內(nèi)注滿膠粘劑，對活塞均勻加熱，記錄不同溫度下活塞桿的位移，通過活塞桿位移及活塞腔直徑計算出膠粘劑膨脹體積；在活塞桿尾端施加作用力使活塞桿回退到初始位置，得出推力與溫度關系式:
[0034]P=K (t+r Δ T )
[0035]式中:P為壓力，單位為MPa ;K為分散系數(shù)，K取值范圍0.85?I ;r為擬合系數(shù)，一般為0.01?0.03 ；t為初始溫度，AT為膠粘劑溫度變化量，單位均為。C ；
[0036]步驟4:膠粘劑壓力作為載荷及非金屬錐殼外表面熱載荷聯(lián)合作用進行熱應力計算；
[0037]按照低膨脹合金直桿軸向的三個時刻溫度分布，計算三個時刻由于膠粘劑材料膨脹作用到非金屬錐殼孔內(nèi)表面上的壓力，得到出直桿起點、中點及尾部的時間歷程曲線。相應的最高溫度是:直桿起點398.4°C (t=348秒)、中點350°C (t=356秒)、尾部344.8 0C (t=348秒)。應用上述插值公式算得到直桿起點壓力27.18693MPa、中點壓力23.76667MPa、尾部壓力 23.39920MPa (K 取 1.0)。
[0038]為了更加準確地計算環(huán)向應力，在建立平面模型時，非金屬錐殼孔區(qū)域網(wǎng)格較密，考慮壓力載荷的不同情況，孔深方向12等份；同時，非金屬錐殼孔區(qū)域網(wǎng)格沿環(huán)向為單元邊界，經(jīng)平面單元旋轉(zhuǎn)形成體單元；將試驗測試溫度歷程數(shù)據(jù)通過插值計算按剖面施加到非金屬錐殼的外表面，以計算非金屬錐殼瞬態(tài)溫度歷程。
[0039]非金屬錐殼錐殼外表面施加溫度載荷，其外邊緣在t=333秒時溫度最高，為577.80C ；內(nèi)邊緣在t=357秒時溫度最高，為321.3°C ;內(nèi)、外邊緣在t=332秒時溫度差最大，為 407.7 0C ο
[0040]步驟5:通過改變膠粘區(qū)域范圍多次計算得到錐殼一系列孔邊環(huán)向應力值，確定出膠粘最佳范圍。
[0041]采用步驟4的有限元模型，改變開孔區(qū)域施加內(nèi)壓載荷區(qū)間，即對于低膨脹合金約9mm的直桿部分的不同涂膠狀態(tài):全膠、11/12、5/6、3/4、2/3、7/12、1/2、5/12、1/3和1/4膠粘共十種載荷情況。結合三個時刻的非金屬錐殼溫度分布，共計90種工況再次進行結構熱分析(計算結果見表I);
[0042]表I非金屬錐殼在不同壓力下的熱應力計算結果
[0043]
【權利要求】
1.一種金屬與非金屬間的膠粘方法，其特征在于，首先計算熱載荷下低膨脹合金帽的溫度，建立膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的函數(shù)關系，將膠粘劑受熱后的體積膨脹以壓力形式來體現(xiàn)，通過改變膠粘區(qū)域范圍計算得到非金屬錐殼孔邊環(huán)向應力值相對材料拉伸強度的關系，確定最佳壓力區(qū)間，將該最佳壓力區(qū)間作為膠粘劑最佳區(qū)域，進行膠粘。
2.根據(jù)權利要求所述的金屬與非金屬間的方法，其特征在于，具體過程如下: 步驟1:實驗測定低膨脹合金外表面溫度； 步驟2:根據(jù)低膨脹合金外表面溫度通過數(shù)值計算得到低膨脹合金整體溫度，把低膨脹合金直桿溫度作為膠粘劑溫度； 步驟3:先確定膠粘劑體積與膠粘溫度的關系，再根據(jù)溫度與壓力的關系，確定膠粘劑溫度與膠粘劑體積膨脹力的函數(shù)關系式P=K (t+rAT) 式中:P為壓力，單位為MPa ;K為分散系數(shù)，K取值范圍0.85?I ;r為擬合系數(shù)，一般為0.0l?0.03 ；t為初始溫度，AT為膠粘劑溫度變化量，單位均為。C ； 步驟4:膠粘劑壓力作為載荷及非金屬錐殼外表面熱載荷聯(lián)合作用進行錐殼熱應力分析，通過改變膠粘區(qū)域范圍多次計算得到錐殼一系列孔邊環(huán)向應力值； 步驟5:確定出膠粘最佳范圍 拉伸允許范圍之內(nèi)的最大環(huán)向應力值所對應的位置為膠粘最長區(qū)間，膠粘最小區(qū)間不小于總區(qū)間的1/2。
3.根據(jù)權利要求所述的金屬與非金屬間的膠粘方法，其特征在于，所述總區(qū)間為雨蝕頭直桿長度。
【文檔編號】G06F17/50GK103632007SQ201310652683
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權日:2013年12月4日
【發(fā)明者】楊志斌, 蔣軍亮, 成竹, 叢琳華 申請人:中國飛機強度研究所