轻量化设计中粘接连接的抗振强度计算

由于轻量化设计不仅承受静态应力载荷，也更多地承受动态应力载荷，从技术层面上来说，粘接连接的抗振强度也很重要。这里以飞机制造为例，粘接方法在紧凑型短程飞机制造中应用特别多。这类飞机使用寿命约为5万次，大约产生10¹⁰LW暴风振动与发动机振动。另外还承受-20～100℃温度差的作用，即在抗振强度同时，老化也起着很重要的作用。

对于这类极端的应力载荷情形，最后只能通过相对应的动态试验（沃勒试验）、寿命计算与可靠性仿真来实现高的设计安全与使用安全。下面给出一些试验结果，由此可以看出内在的关系。

试验与实际情况相对应，为简单搭接的粘接连接，在拉伸低温区域进行。试样为电镀铝合金，由于其均衡的质量，电镀铝合金特别适合应用于高价值的车身部件与飞机机身部件制造中。粘接材料为Redux775（苯酚树脂粘结剂）与Araldit106（环氧树脂粘结剂），测试在室温与普通的湿度条件下进行。

图22-18所示为这些连接的沃勒曲线，测试为10个层级，每个层级中测试7～8个试样。简单材料强度试验通常服从高斯正态分布，对应于典型的偶然事件。如果数据之间出现大的间距，则呈现对数正态分布。通过简单查数据的对数表，可以将数据输入到正态分布中。

在这种情况下，相同幸存概率曲线（即50%幸存概率）在双对数图上的影响为直线。精细构造的连接可将疲劳强度值的离散范围保持在平均值的±（15%～20%）内。在纯粹的材料试验中（钢、铝），离散程度通常有3倍之大。

图22-18 脉冲试验中粘接的轻金属连接的沃勒线[MAT 68](www.xing528.com)

经过大量的试验，可得出粘接连接的极限载荷循环次数^[2]为N_A≈10⁷。这里疲劳强度τ_A在静态拉伸-抗剪强度的15%范围内浮动。这个比例关系在承受载荷的粘接材料中不能得到根本性的改善。仅为了确保这一较低的应力水平，就必须采用大粘接面积，并且导入外力时，必须只能产生唯一的切应力。如果还担心产生断裂，就得再加上铆接方法了。

粘接终端的构造对于载荷性能和连接强度的离散性具有显著的影响，因为这是连接的一个薄弱环节。为此，图22-19比较介绍了两种极端的粘接方式，这些连接方式在实际中应用的趋势值得关注。

试验表明，与带有加工干净的终端的构造相比，带有角边界的粘接连接承受的振动应力时间更长（约10倍长）。带有角边界的连接的载荷循环次数离散区域更大。光滑终端的载荷循环次数更低的原因则可归结为在此处出现的高的应力峰值（准应力集中）。

图22-19 载荷交变数下的粘接连接的搭接终端的结构