Лако-красочные материалы — производство

В последнем разделе данной книги принедсн простой перечень критериев для соединений с двойной нахлесткой. Эти критерии были разработаны А Дж. Харт-

Смитом [1]. на работу которого мы уже ссылались ранее. Полный анализ работы Харт-Смита обязателен для детального описания полученных им критериев про­ектирования соединений. Разработанные им компьютерные программы позволяют рассчитать оптимизированные конструкции соединении, однако в данном разде­ле может быть дано лишь краткое описание предложенных им критериев. Важно рассмотреть, как сочетаются химические, механические и физические свойства материалов для того, чтобы удовлетворить требованиям к проектированию соеди­нений.

Критерии Харт-Смита для проектирования соединений были получены в резуль­тате выполнения финансировавшейся ВВС США программы, получившей назва­ние программы PABST(Primary Adhesively Bonded Structure) [2). Цель данной про­граммы заключалась в строительстве макета фюзеляжа самолета с использованием технологии склеивания в качестве единственного способа создания конструкций. Исследовательские работы должны были привести к разработке методологии наи­более эффективного использования клеен в авиационных конструкциях. Согласно сообщениях), п|н>| рамма была успешно выполнена. Изготовленный макет фюзеляжа выдержал соответствующие ресурсу самолета увеличение и уменьшение давления (наддув и сброс давления без разрушения или роста усталостной трещины). Так как отсутствовало «естественное» разрушение, в конструкцию были сознательно введе­ны трещины и их развитие регистрировали методом диафрагменной фотографии. Трещины на фюзеляже распространялись до тех пор, пока они не достигали клеево­го соединения, и затем они фактически поворачивались на себя вместо разрушения соединения.

Анализ Харт-Смита начинается с анализа Голанла-Рейснсра. однако затем пере­ходит к рассмотрению более реальных образцов, например, образца с двойной на­хлесткой для испытания на сдвиг, показанного в нижней половине рис. 3.8. Вернем­ся к рис. 3.14 и 3.1.б. на которых показано, что для кромки нахлесточного соединения характерна существенно более высокая величина напряжения, чем среднее напря­жение в соединении как при сдвиге, так и при растяжении. Для большинства кле­ев напряжение сдвига на кромках соединения может быть выше предела текучести клея. Чтобы представить, что это означает применительно к конструкции клеевого соединения, обратимся к упруго-пластической модели для кривой напряжение — леформация клея, представленной на рис. 11.4. Упруго-пластическая модель по­казывает. что для клея характерна упругость до предела текучести, при котором он становится пластичным н течет при том же самом напряжении до разрушения. Пунктирными линиями на рис. 11.4 показана упруго-пластическая аппроксимация для реальной кривой напряжение-деформация. Предел текучести недостаточно хорошо моделируется. Однако Харт-Смит отрегулировал свои приближения таким образом, что плотность энергии деформации на двух кривых оказалась согласован­ной, и затем использовал две прямые линии. Анализ аналогичен анализу Голанла — Рейснсра за исключением того, что уравнение (3.6) было преобразовано с учетом закона Гука в уравнение, которое имеет упруго-пластический характер. Для пол­ного анализа читатель хсожет обратиться к оригинальным работам Харт-Смита [ 1 ]. В этих работах представлено более подробное описание методологии проектирова­ния соединений.

13 случае короткого нахлесточного образца для испытании пасдинг высока веро­ятность того, что клей течет при расчетных нагрузках. Одним из принципов мето­дологии проектирования Харт-Смита является то, что длина нахлестки в соедине­нии должна быть достаточной для того, чтобы большая часть клея не испытывала текучести мри расчетных нагрузках. Это утверждение приводит к важному выводу соединение всегда должно быть спроектировано так, чтобы склеиваемые материа­лы являлись самой слабой частью соединения. Такое положение опять приводит к рис. 3.9. который показывает, что даже несмотря на то, что «прочность при сдвиге на- хлестлчного образца* уменьшается в зависимости от длины нахлестки, разрушение

в соединении практически представляет собой разрушение в склеиваемом материа­ле при достаточно большой длине нахлестки. Рассматривая рис. 3.15 и 11.4. можно видеть, что если параметр о# меньше напряжения сдвига на кромке соединения, су­ществует область вблизи кромок соединения, где клей обладает текучестью. В каче­стве иллюстрации эта ситуация представлена в виде зависимости от длины нахлест­ки на рис. 11.5. В случае малой длины нахлестки большинство клеев в соединении находятся выше их предела текучести. В случае средней длины нахлестки некото­рые клеи в соединении находятся ниже предата текучести. Обратите внимание, что минимум на кривой появляется в середине соединения, что соответствует анализу Голанда-Рейснера. И наконец, при большой длине нахлестки значительная часть клея находится ниже его предела текучести. Заметьте, что область, выше которой клей течет, является одинаковой для всех соединений внахлестку. Фактически об­ласть. выше кото)м>й это происходит, определяется величиной

(11.1)

глс t толщина расположенного в центре соелинения склеиваемого материала (вспомним, что этот материал является соединением с двойной нахлесткой); тя — предел текучести клея при сдвиге; предел прочности клеевого соединения.

Харт-Смит предложил также выражение для определения расстояния от края об­ласти пластического течения до центра впадины;

(11.2)

где F. — модуль упругости субстрата; tк — толщина слоя клея; С модуль упругости клея при сдвиге.

Затем конструкцию соединения рассматривают, исходя из определенных пред­посылок, основанных на этом анализе. Во-первых, принимают решение, какую кри­вую напряжение деформация клея использовать для определения т;, По-внднмому, это не является приемлемой формулировкой, если не вспомнить о том, что клеи по своей природе являются вязкоупругими материалами и поверхности раздела клей металл термодинамически нестабильны при воздействии жестких условий окружающей среды. Таким образом, существует необходимость использовать диа­грамму напряжение-деформация клея в случае наиболее плохих условий: кривой напряжение-деформация при сдвиге, полученной при высокой температуре и вы­сокой влажности. Кроме того, так как для клеев характерна более высокая пластич­ность при низких скоростях приложения напряжений, эта кривая напряжснис — Д(‘(|н>|)мация клея должна определяться при малой степени удлинения. Используя значения параметров о и хґ определенные при этих условиях, могут быть получе­ны удовлетворительные параметры проектирования соединения. Для такой оцен­ки используют образцы с нахлесткой толстого субстрата при испытаниях на сдвиг. В чем заключается смысл упругой впадины? В рамках программы /МЙЗТбыло уста­новлено, что клеевые соединения, полученные г использованием коротких длин нахлестки, обычно подвержены разрушению в результате ползучести. Когда клей нагружают или разгружают при испытании, клей деформируется в результате иол-
зучссти. Если весь объем клея течет из-за короткой длины соединения, клей нс мо­жет восстанавливаться. После этого каждое дополнительное нагружение приближа­ет соединение к состоянию разрушения. Однако если нахлестка имеет достаточно большую длину, при которой цент}) соединения находится практически полностью в упругом состоянии, то соединение восстанавливается в процессе нагружения и разгружения. При этом возникает вопрос, какая часть соединения должна оставать­ся в упругом состоянии? Это было экспериментально определено в рамках програм­мы PABST как точка, в которой минимальное напряжение сдвига составляет около 10% предела текучести клея. Поэтому длина нахлестки должна быть увеличена на­столько. чтобы длина упругой впадины оказывалась такой, чтобы никакая деформа­ция в результате ползучести не могла накапливаться в соединении.

Анализ Харт-Смита объединяет многие из факторов, рассмотренных в данной книге, и дает возможность использовать их для того, чтобы предложить обоснован­ный ряд критериев, который позволяет принимать рациональные решения о том, как проектировать клеевое соединение. Эти факторы основаны как на результатах анализа Голанда — Рейснера. гак и на физико-механических свойствах клеев.

11.4. Выводы

Последняя глава данной книги представляет собой руководство по рациональному выбору клеев и методику, определяющую начальный этап проект ирования клеевого соединения. В упрощенном виде существуют следующие критерии выбора клея:

• достаточно высокий модуль упругости и в то же время максимально высокая возможная предельная плотность энергии деформации;

• способ нанесения и условия отверждения должны соответствовать возможно­стям потребителя;

• экономические моменты должны определяться конечным использованием клея.

Критерии проектирования соединений включают следующие моменты:

• подготовка поверхности должна соответствовать конечному использованию соединения;

• особое внимание должно обращаться на различие коэффициентов термическо­го расширения элементов соединения;

• должно быть обеспечено минимальное расслаивающее усилие у краев соедине­ния;

• конструкция должна предусматривать разрушение склеиваемых материалов. но не разрушение по клеевому слою;

• конструкция должна предусматривать, чтобы текучесть клея проявлялась только в небольшой области соединения при расчетных нагрузках;

• при проектировании конструкции должны учитываться свойства клея при наиболее жестких условиях эксплуатации;

• клеевое соединение должно иметь достаточную длину нахлестки, чтобы боль­шая часть клея подвергалась главным образом упругому, а не пластическому

•