Kap. 8.2
Lepené spoje Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií &
Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky FS ČVUT v Praze 22. 1. 2007 - 26. 1. 2007 1
Lepené spoje
Úvod
• Proč spojovat?
Obtížná výroba funkčních celků jako jednoho kusu Požadavek složitých konstrukcí Komplikované obrábění kompozitových dílů Spoje umožňují větší uplatnění kompozitů (snížení hmotnosti) Vláknové kompozity jsou téměř nezastupitelné v automobilovém a leteckém průmyslu i ve výrobě sportovních náčiní Při opravě výměna pouze poškozeného dílu
2
Lepené spoje
Úvod
• Princip - adheze způsobená molekulární vazbou mezi lepenými součástmi a lepidlem
• Zajišťují přenos silových účinků mezi adherendy • Umožňují realizaci plnohodnotných spojů bez zásahu do struktury spojovaného materiálu • Vhodná alternativa pro spojování dílů 3
Lepené spoje
Vlastnosti
• Výhody lepených spojů + + + + + + + + + +
Rozložení silových účinků na větší plochu Malý hmotnostní přírůstek součástí Tlumící účinek vibrací a hluku Nedochází k narušení základního materiálu (díry) Nevznikají tepelná pnutí (svary) Vyšší odolnost vůči únavě materiálu Vysoká těsnost spoje Slučitelnost s konzervačními oleji Odolnost vůči agresivním chemickým látkám Nové generace vysokopevnostních lepidel – kvalita spojů
4
Lepené spoje
Vlastnosti
• Nevýhody lepených spojů -
Pečlivá příprava ploch adherendů Nízká manipulační pevnost spoje před vytvrzením Obtížně rozebíratelný Omezené provozní teploty Zatím neověřený dlouhodobý vliv stárnutí
5
Lepené spoje
Vlastnosti
• Adhesiva Epoxidová (vícesložková) Polyesterová Poyuretanová Metakrylátová
• Využití Rotační pohony (dlouhé hřídele bez kloubů) – lepené koncovky Táhla – lepené koncovky Lepení dílů v automobilovém a leteckém průmyslu
6
Lepené spoje
Vlastnosti
• Druhy spojů Ploché ¾ Trubkové ¾
Jednoduché
Zdvojené
Jednoduché zkosené
Zdvojené zkosené
Stupňovité
7
Lepené spoje
Vlastnosti
Statická únosnost trubkových spojů v krutu Typ lepeného spoje
Úhel návinu vláken ± 15°
± 30°
± 45°
Jednoduchý
2087 Nm 6,2 MPa
2215 Nm 6,6 MPa
3195 Nm 9,5 MPa
Jednoduchý se zkosem
1980 Nm 5,9 MPa
-
-
Zdvojený
3320 Nm 4,9 MPa
3380 Nm, 5,0 MPa
3626 Nm 5,4 MPa
Zdvojený se zkosem
2550 Nm 3,8 MPa
-
-
8
Lepené spoje
Ploché spoje
• Smyková napětí zatížení osovou silou α1 ⋅Nx 2 α1 + α 2
9,0 8,0
6,0 5,0 4,0 3,0 0
L λP = b
2,0
4 8
1,0
12 16
24
12
20
11
0,0 9
Šířka spoje
Smykové napětí [MPa]
7,0
10
⎛t +t ⎞ M o = N x ⎜ 1 2 + ta ⎟ ⎝ 2 ⎠ τ P max = τ P max ( N ) + τ P max ( M o )
F L ⋅b
Koeficient poměrné délky
Ga E2 t2 ta
8
α2 =
7
Ga E1 t1 t a
6
α1 =
F b
5
Nx =
4
t1
τ SP =
3
o
3α 1 ⋅Mo α1 + α 2
2
τ P max ( M ) =
Střední smykové napětí
1
τ P max ( N ) =
0
Délka spoje [mm]
9
Lepené spoje
Ploché spoje 9,0 11,0
4
2
1
Délka spoje [mm]
12 16
24
Smykové napětí [MPa]
12
11
9
0,0 20
10
Šířka spoje
8
12
11
9
8
7
6
5
4
24
3
20
10
0,0
1,0
7
16
2,0
8
1,0
12
0
Šířka spoje
0
6
8
4,0 3,0
5
2,0
4
6,0 5,0
4
3,0 0
8,0 7,0
3
4,0
10,0 9,0
2
5,0
Vliv tloušťky spoje
1
6,0
Smykové napětí [MPa]
7,0
0
Vliv délky spoje
8,0
Délka spoje [mm]
λP=60÷75% t = 0,2 ÷ 0,5 mm
10
Lepené spoje
Ploché spoje
• Experimentální ověření vlivu délky spoje vlivu tloušťky spoje
τSPmax=26 MPa t=0,3÷0,8 mm
30,00
20,00
8000 Tloušťka lepidla 1,0 mm
Přeplátování 12,5 mm
25,00
7000
20,00
6000
15,00
5000
10,00
4000
18,00
Sm yková pevnost [MPa]
Tahová síla [N]
Sm yková pevnost [M Pa]
16,00
14,00
12,00
10,00 5,00
3000
8,00
0,00
2000 4
6
8
10
12
14
16
18
Velikost přeplátování [mm] Smyková pevnost
Smyk
Tahová síla
20
22
6,00 0,4
Síla
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Tloušťka lepidla [mm]
11
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Smyková napětí – zatížení kroutícím momentem Schéma lepeného spoje
Schéma vrstvy lepidla
t
12
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Smyková napětí – zatížení kroutícím momentem
Střední smykové napětí 2⋅Mk τ ST = π ⋅ (D − t )2 ⋅ L
α=
Smykové napětí – funkce poměrné délky
π ⋅ rm2 ⋅ d ⋅ Ga
⎤ 2 M kα ⎡⎛ 1 −ψ (1 − cosh α L ) ⎞ ⎟ ⎜ τT = ⎢ ⎟ cosh α z −ψ sinh α z ⎥ π ⋅ DS2 ⎣⎜⎝ sinh α L ⎠ ⎦
Špičky smykového napětí
τ T max =
a ⋅ τ ST tg hyp a
δ= ψ=
Gk ⋅ J Pk ⋅ t
Gt J Pt d D Gk J Pk + d Gt J Pt
r m=
a=
δ ψ
(D + d ) = DS 4
2
2
Ga L 2Gt h t 13
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Smyková napětí – zatížení kroutícím momentem Smykové napětí v lepidle 45,0
Smykové napětí [MPa]
40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
1,000
Poměrná vzdálenost z/L [-]
14
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Vliv délky a tloušťky spoje - MKP
15
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Vliv délky a tloušťky spoje - MKP Lambda [%] 28% 6,0
56%
84%
111%
139%
167%
195% 900%
800% 5,0
600%
4,0
500% 3,0 400%
2,0
Tloušťka lepidla 0,2 mm Mk = 10 Nm D = 18 mm
300%
Normalilzované smykové napětí [%]
Střední smykové napětí [MPa]
700%
λT =
L , D
[%]
λT=60÷80%
200%
1,0 100%
0,0 5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
0% 40,0
t=0,6÷0,9 mm
Délka spoje [mm] Střední smykové napětí
Špičky smykového napětí
Špičky normalizovaného napětí
16
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Experimentální ověření vlivu tloušťky spoje vlivu délky spoje
τSTmax=80 MPa t=0,4÷0,8 mm
90,0
200,0
80,0
140,0
Délka spoje 6,0 mm 180,0
80,0
70,0
120,0
160,0
70,0
60,0 100,0
140,0
60,0 30,0
120,0 50,0 100,0 40,0 80,0 30,0 60,0
40,0 20,0
20,0
40,0
20,0
Tloušťka spoje 0,4 mm
10,0
10,0
20,0
0,0
0,0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
Tloušťka lepidla [mm] Tau S
Tau max GAY
1,0
1,2
0,0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
0,0 14,0
12,0
Délka spoje [mm] Mk
Tau S
Tau max
Mk
17
M om ent síly [Nm ]
40,0
Sm ykové napětí [M Pa]
80,0
M om ent síly [Nm ]
Sm ykové napětí [M Pa]
60,0
50,0
Lepené spoje
Trubkové spoje
• Únavová životnost spoje
σC=9 MPa
mez únavy středního smykového napětí vlivu tloušťky spoje
1,40
1,8
L = 15 mm l = 83% t = 0,8 mm
1,30
τmax = 9 MPa L = 10 mm TR 18/24 mm
1,6
1,4
Tloušťka spoje [m m ]
1,20
1,10
lo g ta [M P a]
t=0,2÷0,8 mm
1,00
0,90
0,80
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,70
0,2
0,60 5
6
7
8
log N
9
10
0,0 1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
log N
18
Lepené spoje
Vlastnosti
• Únavová životnost spoje
vliv drsnosti adherendů
Ra=1,5÷2,5 µm
19
Lepené spoje
Metodika návrhu
• Kritéria návrhu Optimální tloušťka a poměrná délka Zohlednění špiček napětí ve spoji Průběh napětí ve spoji Aplikace BONDED JOINT
t=0,4÷0,8 mm λT=60÷80%
20
Lepené spoje
Příklad
Návrh lepeného spoje kompozitová trubka x ocelová koncovka Zadání: n, P => Mk Dtmax,L – z konstrukce Řešení: - Návrh trubky dt, Dt, (tt), Lt, Exeff, Eyeff, Gxy, ρt - Návrh spoje t, L, τS, τmax
Kritéria: t=0,4÷0,8 mm
λT=60÷80% τS=≤0,2.τP
21
