analiza mes wpływu struktury geometrycznej powierzchni na stan

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
4/2010
ANALIZA MES WPŁYWU STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ
POWIERZCHNI NA STAN NAPRĘŻEŃ W SPOINIE KLEJOWEJ
Władysław ZIELECKI, Krzysztof ZIELECKI
Proces technologiczny klejenia rozpoczyna ciąg operacji, których celem jest właściwe przygotowanie powierzchni łączonych elementów. Przygotowanie powierzchni do klejenia powinno zapewnić zadziałanie
wszystkich mechanizmów wiążących (natury fizycznej,
chemicznej i mechanicznej). Uzyskanie mocnych wiązań adhezyjnych w połączeniu klejowym jest możliwe
wówczas, gdy proces przygotowania powierzchni spowoduje:
• usunięcie z łączonych elementów wszystkich zanieczyszczeń powierzchniowych,
• uzyskanie największego rozwinięcia powierzchni,
• uzyskanie dobrego uaktywnienia powierzchni.
W warunkach produkcyjnych uzyskanie wymienionych efektów realizowane jest różnymi metodami obróbki chemicznej lub mechanicznej.
Obróbka mechaniczna umożliwia ukonstytuowanie
struktury geometrycznej powierzchni zapewniającej
maksymalne jej rozwinięcie, lecz nie gwarantuje ona
dobrego uaktywnienia powierzchni. Realizowana jest
różnymi metodami obróbki mechanicznej (piaskowanie,
obróbka strumieniowo-ścierna, śrutowanie, kulkowanie,
szlifowanie, szczotkowanie, skrobanie), których opis,
warunki realizacji oraz wpływ na wytrzymałość połączeń
klejowych przedstawiono w licznych pracach [1, 2, 3, 4].
Zawierają one najczęściej analizę wpływu parametrów
technologicznych (np. wielkości ziaren elektrokorundu
stosowanego do obróbki strumieniowo-ściernej, ziarnistości papieru ściernego) na wytrzymałość połączeń
klejowych, rzadziej natomiast właściwości wytrzymałościowe wiązano z parametrami chropowatości powierzchni.
W nielicznych pracach [5, 6, 7] podjęto próbę powiązania wytrzymałości połączeń klejowych z parametrami
wysokościowymi chropowatości powierzchni. Stwierdzono w nich, że najlepsze właściwości wytrzymałościowe uzyskują złącza, w których powierzchnia łączonych elementów posiada chropowatość Rm = 7 ÷ 25 μm.
W pracach [8, 9] przeprowadzono analizę korelacyjną
pomiędzy parametrami wysokościowymi, wzdłużnymi
profilu powierzchni a wytrzymałością na ścinanie zakładkowych połączeń klejowych, która wykazała najsilniejsze więzi między wytrzymałością na ścinanie
a współczynnikiem długości profilu chropowatości Rlr,
średnim
arytmetycznym
pochyleniem
profilu
chropowatości Rda i średnim kwadratowym pochyleniem profilu Rdz.
Вартанов М.В., Щербаков В.И., Зинина И.Н.
w pracy [10] przeprowadzili analityczną analizę wpływu
wysokości wzniesień profilu chropowatości i odstępu
chropowatości na stan naprężeń w spoinie klejowej.
Rozwój metod numerycznych opartych na metodzie
elementów skończonych MES pozwolił wykorzystać je
do analizy stanu naprężeń w spoinach złączy klejowych.
Nie napotkano jednak publikacji dotyczących wykorzystania metody MES do analizy wpływu struktury geometrycznej powierzchni na stan naprężeń w spoinie
klejowej.
BADANIA WŁASNE
Celem podjętych badań było sprawdzenie możliwości
wykorzystania metody elementów skończonych do wyznaczania stanu naprężeń w spoinie klejowej utworzonej pomiędzy powierzchniami różniącymi się strukturą
geometryczną. Do modelowania wytypowano powierzchnie o zarysie trójkątnym konstytuowane w procesie frezowania (warianty FR1 – wysokość profilu chropowatości wg 10 punktów Rz = 16 μm, średni odstęp
chropowatości RSm = 140 μm i FR2 – Rz = 25 μm,
RSm = 240 μm) oraz o zarysie sferycznym formowane
w procesie kulowania (wariant KULOWANA –
Rz = 40 μm, RSm = 350 μm). Jako wariant odniesienia
przyjęto powierzchnię idealnie gładką (wariant
GŁADKA).
Stan naprężeń w spoinie klejowej obliczono, stosując
pakiet MES Abacus (wersja 6.7-1). Złącze klejowe zamodelowano, wykorzystując elementy CPS8R. Rysunki
siatek elementów skończonych modelowanych połączeń
klejowych przedstawiono na rys. 1.
a)
b)
c)
d)
Rys. 1. Modele siatek elementów skończonych połączeń klejowych o powierzchniach: a) – gładka (wariant GŁADKA),
b) – frezowana (wariant FR1), c) – frezowana (wariant FR2),
d) – kulowana (wariant KULOWANA)
49
4/2010
Zagadnienie rozpatrywano jako przypadek
płaskiego stanu odkształceń i ograniczono go jedynie do zakresu liniowego.
Do obliczeń przyjęto połączenia klejowe (rys. 2)
wykonane z pasów blachy o szerokości 25 mm
i grubości 2 mm ze stali S235JR posiadającej
następujące
własności
mechaniczne:
E = 2,1∗105 MPa, ν = 0,3. Połączono je klejem
o następujących własnościach mechanicznych:
G = 1000 MPa, ν = 0,35. Stal, jak i klej, traktowano jako materiały izotropowe.
Analiza obejmowała wyznaczenie:
− naprężeń tnących (styczne) w płaszczyźnie
xy globalnego układu współrzędnych – S12,
− naprężeń normalnych w kierunku osi y – naprężenie oddzierające – S22,
− naprężeń normalnych w kierunku osi x – naprężenie rozciągające – S11,
− zredukowanych naprężeń Hubera, von
Misesa (von Mises stress) - Mises,
− maksymalnych, głównych naprężeń normalnych (Maximal. Principal stress) – Smax.
Wyniki analizy stanu naprężeń w spoinie klejowej utworzonej pomiędzy powierzchniami różniącymi się strukturą geometryczną (rys. 3 i 4),
wykonane metodą elementów skończonych,
wskazują, że struktura geometryczna wpływa
w istotny sposób na stan naprężeń w spoinie
klejowej. Wgłębienia nierówności powierzchni
stają się koncentratorami naprężeń, a stopień
koncentracji zwiększa się ze wzrostem wysokości
profilu chropowatości i średniego odstępu chropowatości. Największy wpływ chropowatość powierzchni wywiera na naprężenia normalne w kierunku osi y S22 (naprężenia oddzierające) oraz
naprężenia normalne w kierunku osi x S11 (naprężenia rozciągające). Na wykresach rozkładu
tych naprężeń (rys. 4b i 4c) wyraźnie widoczne
są ich oscylacje, a ich amplituda i częstotliwość
uzależnione są od wysokości profilu chropowatości i średniego odstępu chropowatości. Wartości
naprężeń zredukowanych praktycznie nie zależą
od sposobu obróbki powierzchni – rys. 5.
Rys. 2. Kształt i wymiary zakładkowych połączeń stosowanych w obliczeniach MES
50
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
a)
b)
c)
d)
Rys. 3. Rozkład naprężeń zredukowanych w próbkach o powierzchniach: a) − gładka (wariant GŁADKA), b) – frezowana (wariant FR1,
zarys trójkątny Rz = 16 μm, RSm = 140 μm), c) – frezowana (wariant
FR2, zarys trójkątny, Rz = 25 μm, RSm = 240 μm), d) – kulowana (waa)
c)
b)
d)
riant KULOWANA, zarys sferyczny Rz = 40 μm, RSm = 350 μm)
Rys. 4. Rozkład naprężeń w warstwie środkowej spoiny klejowej:
a) − stycznych (S12), b) − normalnych (S22), c) − normalnych (S11),
d) − głównych (Smax)
Uzyskane wyniki analizy MES porównano z wynikami badań wytrzymałości na ścinanie próbki ze stali
S235JR. Próbki połączono kompozycją klejową
Epidian 5 z utwardzaczem PAC (w proporcji 80 części
wagowych utwardzacza PAC na 10 części wagowych
żywicy epoksydowej). Proces sieciowania przebiegał
w temperaturze otoczenia (293 ± 3 K) w ciągu 48 godzin, z zachowaniem przez cały okres utwardzania
nacisku 0,05 MPa (w przyrządzie mechanicznym).
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
4/2010
cydujący wpływ na koncentrację naprężeń wywierają
dwa parametry: wysokość chropowatości
Rz oraz
średni odstęp chropowatości RSm.
Badania realizowane w ramach Projektu „Nowoczesne
technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie
Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt
współfinansowany przez Unię Europejską ze środków
Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Rys. 5. Rozkład naprężeń zredukowanych (Mises) w warstwie
środkowej spoiny klejowej
Powierzchnie klejonych próbek poddano wstępnej
obróbce mechanicznej następującymi metodami:
• frezowanie: głębokość frezowania g = 0,4 mm
i prędkość obrotowa głowicy jednonożowej n = 140
obr/min, zmieniając posuw:
−
wariant FR1 posuw na ząb pz = 0,25 mm/obr,
−
wariant FR2 posuw na ząb pz = 0,25 mm/obr,
• kulowanie strumieniowe mechaniczne odśrodkowe
kulkami stalowymi realizowane z następującymi parametrami: średnica kulek dk = 0,71 mm, prędkość
v = 78 m/s – wariant KULOWANA.
Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie Rt przedstawiono na rys. 6. Wskazują one, że zmiany stanu naprężeń w spoinie klejowej, wywołane przez strukturę
geometryczną, wpływają na wytrzymałość na ścinanie Rt.
KULOWANA
FR2
FR1
0
5
10
15
20
25
Wytrzymałość na ścinanie Rt [MPa]
Rys. 6. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie Rt
PODSUMOWANIE
Wykonana metodą elementów skończonych MES
analiza wpływu struktury geometrycznej powierzchni na
stan naprężeń w spoinie klejowej wykazała, że nierówności powierzchni są mikrokoncentratorami naprężeń
wpływającymi na stan naprężeń w spoinie klejowej. De-
LITERATURA
1.
Cagle Ch. V.: Handbook of Adhesive Bonding. McGraw-Hill, New York 1973.
2. Petrie E. M.: Handbook of Adhesives and Sealants.
McGraw-Hill Professional, New York 2006.
3. Habenicht G.: Kleben. Grundlagen, Technologien,
Anwendungen. Springer, Berlin – Heidelberg 2006.
4. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy
wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT,
Warszawa 2000.
5. Dutkiewicz E. T.: Fizykochemia powierzchni. WNT,
Warszawa 1998.
6. Вакула В. Л., Притикин Л. М.: Физическая химия
адгезии полимеров. Издателство
„Химия”,
Москва 1984.
7. Pizzi A., Mittal K. L.: Handbook of Adhesive
Technology. Marcel Dekker Inc. 2003.
8. Zielecki W.: Determinanty rujce pevnostné vlastnosti lepených spojov. Vedecké Spisy Strojníckej Fakulty, Zväzok 02, Edíca: Habilitačné a inauguračné
spisy. Košice 2009, s. 73.
9. Zielecki W., Perłowski R., Pawlus P.: The analysis
of the effect of surface topography on strength of
lap glued joints. Proceedings of The 12th International Conference on Metrology and Properties of
Engineering Surfaces, Rzeszów 08-10 July 2009,
s. 243-248.
10. Вартанов М.В., Щербаков В.И., Зинина И.Н.:
Расчет внутренних напряжений в клеевом шве.
Сборка в машиностроении, приборостроени,
2004, Nr 7, c. 15 – 19.
___________________________
Dr hab. inż. Władysław Zielecki, prof. PRz, jest pracownikiem Katedry Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji Politechniki Rzeszowskiej. Mgr inż. Krzysztof
Zielecki jest absolwentem Wydziału Budowy Maszyn
i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej.
ciąg dalszy ze str. 48
VII Międzynarodowa Konferencja
„Technika i Technologia Montażu Maszyn”
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki
Rzeszowskiej wspólnie z Instytutem Mechanizacji Bu-
downictwa i Górnictwa Skalnego w Warszawie informują
o rozpoczęciu prac przygotowawczych do VII Międzynarodowej Konferencji „Technika i Technologia Montażu
Maszyn”, która odbędzie się 24 – 27.05.2011 r. w Cisnej
w Bieszczadach.
51