Kap. 8. Lepené spoje Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií & Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky FS ČVUT v Praze.. 007-6.. 007
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
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
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
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
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
Vlastnosti Druhy spojů Ploché Trubkové Jednoduché Zdvojené Jednoduché zkosené Zdvojené zkosené Stupňovité 7
Vlastnosti Statická únosnost trubkových spojů v krutu Typ lepeného spoje Jednoduchý Jednoduchý se zkosem Zdvojený Zdvojený se zkosem ± 5 087 Nm 6, MPa 980 Nm 5,9 MPa 330 Nm 4,9 MPa 550 Nm 3,8 MPa Úhel návinu vláken ± 30 5 Nm 6,6 MPa - 3380 Nm, 5,0 MPa - ± 45 395 Nm 9,5 MPa - 366 Nm 5,4 MPa - 8
0 3 4 5 6 7 8 9 Lepené spoje Ploché spoje Smyková napětí zatížení osovou silou τ τ P max P max α = α = N α + α ( N ) x ( M ) o o = G E t a t t a 3α α + α M α = G E t t + t M o N x + t τ = τ + τ P max N x = = a P max F b ( N ) P max ( ) M o a t a 0 4 8 Šířka spoje 6 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0,0,0 0,0 Smykové napětí [MPa] Střední smykové napětí τ SP = λ P = F L b Koeficient poměrné délky L b 0 4 0 Délka spoje [mm] 9
Ploché spoje Vliv délky spoje 0 4 8 Šířka spoje 6 0 4 0 3 4 5 6 7 8 9 0 Délka spoje [mm] 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0,0,0 0,0 Smykové napětí [MPa] Vliv tloušťky spoje 0 4 8 Šířka spoje 6 0 4 0 3 4 5 6 7 8 9 0 Délka spoje [mm],0 0,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0,0,0 0,0 Smykové napětí [MPa] λ P =60 75% t = 0, 0,5 mm 0
Ploché spoje Experimentální ověření vlivu délky spoje vlivu tloušťky spoje τ SPmax =6 MPa t=0,3 0,8 mm 30,00 Tloušťka lepidla,0 mm 8000 0,00 Přeplátování,5 mm 5,00 7000 8,00 0,00 6000 6,00 Smyková pevnost [MPa] 5,00 0,00 5000 4000 Tahová síla [N] Smyková pevnost [MPa] 4,00,00 0,00 5,00 3000 8,00 0,00 000 4 6 8 0 4 6 8 0 Velikost přeplátování [mm] Smyková pevnost Smyk Tahová síla Síla 6,00 0,4 0,6 0,8,,4,6,8 Tloušťka lepidla [mm]
Trubkové spoje Smyková napětí zatížení kroutícím momentem Schéma lepeného spoje Schéma vrstvy lepidla t
Trubkové spoje Smyková napětí zatížení kroutícím momentem Střední smykové napětí τ τ ST T M = k π ( D t) L Smykové napětí funkce poměrné délky ( coshα L) = M kα ψ coshα z ψ sinhα D z π S sinhα L Špičky smykového napětí τ a T = tghyp a τ max ST a = G a G t L ht ψ = α = δ ψ π rm d G δ = G J t DG k k Gt J Pk ( D + d ) Pk r m= = 4 a J Pt d + d G D S t J Pt 3
Trubkové spoje Smyková napětí zatížení kroutícím momentem Smykové napětí v lepidle 45,0 40,0 Smykové napětí [MPa] 35,0 30,0 5,0 0,0 5,0 0,0 5,0 0,0 0,000 0,00 0,00 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900,000 Poměrná vzdálenost z/l [-] 4
Trubkové spoje Vliv délky a tloušťky spoje - MKP 5
Trubkové spoje Vliv délky a tloušťky spoje - MKP Lambda [%] 8% 56% 84% % 39% 67% 95% 6,0 900% 800% 5,0 700% Střední smykové napětí [MPa] 4,0 3,0,0 Tloušťka lepidla 0, mm Mk = 0 Nm D = 8 mm 600% 500% 400% 300% 00% Normalilzované smykové napětí [%] λ T = L D λ T =60 80%, [%],0 00% 0,0 0% 5,0 0,0 5,0 0,0 5,0 30,0 35,0 40,0 Délka spoje [mm] t=0,6 0,9 mm Střední smykové napětí Špičky smykového napětí Špičky normalizovaného napětí 6
Trubkové spoje Experimentální ověření vlivu tloušťky spoje vlivu délky spoje τ STmax =80 MPa t=0,4 0,8 mm 40,0 80,0 00,0 90,0 Délka spoje 6,0 mm 0,0 70,0 80,0 80,0 60,0 60,0 70,0 00,0 40,0 60,0 Smykové napětí [MPa] 80,0 60,0 50,0 40,0 30,0 Moment síly [Nm] Smykové napětí [MPa] 0,0 00,0 80,0 50,0 40,0 Moment síly [Nm] 30,0 40,0 60,0 0,0 40,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Tloušťka spoje 0,4 mm 0,0 0,0 0,0 0,0 0, 0,4 0,6 0,8,0, Tloušťka lepidla [mm] Tau S Tau max GAY Mk 0,0 0,0 0,0,0 4,0 6,0 8,0 0,0,0 4,0 Délka spoje [mm] Tau S Tau max Mk 7
Trubkové spoje Únavová životnost spoje mez únavy středního smykového napětí vlivu tloušťky spoje σ C =9 MPa t=0, 0,8 mm,40,8,30,0 L = 5 mm l = 83% t = 0,8 mm,6,4 τ max = 9 MPa L = 0 mm TR 8/4 mm, log ta [MPa],0,00 0,90 Tloušťka spoje [mm],0 0,8 0,6 0,80 0,4 0,70 0, 0,60 5 6 7 8 9 0 log N 0,0,0E+03,0E+04,0E+05,0E+06,0E+07 log N 8
Vlastnosti Únavová životnost spoje vliv drsnosti adherendů Ra=,5,5 µm 9
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 λ T =60 80% 0
Příklad Návrh lepeného spoje kompozitová trubka x ocelová koncovka Zadání: n, P => M k D tmax,l z konstrukce Řešení: - Návrh trubky d t, D t, (t t ), L t, E xeff, E yeff, G xy, ρ t - Návrh spoje t, L, τ S, τ max Kritéria: t=0,4 0,8 mm λ T =60 80% τ S = 0,.τ P