بخشی از مقاله
خلاصه
طراحی، مستلزم داشتن توانایی تحلیل است. تحلیل در اتصالات چسبی، به معنای تعیین تنشها و کرنشها تحت شرایط بارگذاری داده شده میباشد. در این مقاله رویکردی عددی برای تعیین توزیع تنش در اتصال چسبی تک لبه با رفتار خطی الاستیک ارائه شده است.
برای این منظور مدل اجزا محدود با استفاده از نتایج حل تحلیلی و عددی اعتبارسنجی گردید، سپس عوامل تأثیرگذار هندسی و خواص مواد با استفاده از تحلیل اجزای محدود صریح بررسی شد. نتایج نشان دادند، در یک اتصال چسبی تک لبه اثر پارامترهای هندسی و مواد بر توزیع تنش به صورت توأمان بوده، بدین منظور اثر تغییرات طول اتصال، ضخامت چسب، مدول الاستیسیته چسب و متصلشونده در این تحقیق مورد بررسی قرارگرفته و مشخص شد برای داشتن توزیع تنش یکنواخت با حداقل تمرکز تنش، لازم است که ضخامت چسب در گستره 0.1 تا 0.25 میلیمتر انتخاب شود.
برای طول اتصال نیز مشخص شد که با افزایش مدول متصلشونده، طول همپوشانی اتصال برای چسب مشخص، کاهش مییابد؛ برعکس با افزایش مدول الاستیسیته چسب، مقدار حداکثر تنش اعمال شده در لبه اتصال افزایش مییابد. با افزایش طول ناحیه اتصال، سطح بیشتری از متصلشونده با چسب درگیر شده و مقادیر جابجایی کاهش یافته، تنش ایجاد شده در چسب و متصلشونده کاهش پیدا میکند.
.1 مقدمه
یکی از قدیمیترین روشهای اتصال استفاده از چسبهای طبیعی مانند صمغ درختان بوده است، آثار باستانی کشف شده بیانگر استفاده از این نوع مکانیزم اتصال در حدود سه هزار سال قبل میباشد. اتصال چسبی به دلیل ویژگی که نسبت به دیگر روشهای اتصال از جمله: اتصالات پیچ و مهرهای، جوشی، پرچ و لحیمکاری دارند به صورت گسترده در صنایع مختلف استفاده میشود. مزایای اتصالات چسبی عبارت اند از:
کاهش وزن اتصال، افزایش استحکام سازه، قابلیت اتصال دو قطعه نا همجنس، کارایی بالا در بارگذاری خستگی و کاهش تمرکز تنش. به دلیل افزایش سطح اتصال، بار اعمالشده به سازه توسط یک مقطع با مساحت بیشتری تحمل میشود. از طرفی به دلیل اینکه در اتصالات چسبی برعکس اتصالات مکانیکی نیازی به ماشینکاری یا سوراخکاری بسترها نیست، تمرکز تنش در بستر و در مقطع اتصال کمتر میشود و نتیجه آن یکنواختی توزیع تنش در سطح اتصال است. بااینحال، تمرکز تنش در انتهای ناحیه طول همپوشانی لایهی چسب در اتصال وجود دارد
مولفههای اصلی تنشی، تنش برشی1 و تنش پوستکنی2 هستند که به ترتیب ناشی از اختلاف کرنش بسترها و بارگذاری خارج از صفحه میباشند
اولین تجزیه و تحلیل بر اتصال چسبی توسط ولکرسن در سال 1938 ارائه شد. اساس این تئوری بر پایه مدل دیفرانسیلی تنش برشی بوده و در فرآیند این حل تغییر شکل در لایه چسب و قطعات پایه به ترتیب به سبب تنش برشی و کششی است. از معایب تئوری ولکرسن در نظر نگرفتن اثرات خمش در اتصال میباشد
اولین کسانی که روابط ولکرسن را بهبود بخشیدند گولند و رایسنر در سال 1944 بودند. گولند و رایسنر اثرات مربوط به خمش اتصال را با ضریب K معرفی کردند. این ضریب معرف خمش در اتصال بوده و بر اثر بار درون صفحهای ایجاد میشود و مقدار آن همواره کوچکتر از یک میباشد .[2] در ادامه، هارت اسمیت در سال 1973 علاوه بر در نظر گرفتن ناحیه الاستیک، ناحیه پلاستیک را نیز برای لبهی بیرونی اتصال در نظر گرفت .
روشهای رایج برای از بین بردن حداکثر تمرکز تنش در لبه شامل باریک کردن3 لبه متصلشونده و استفاده از فیلت-های چسبی در انتهای ناحیه اتصال است
باریک کردن متصل شوندههای کامپوزیتی میتواند پرهزینه باشد یا اینکه ممکن است به سبب آسیب احتمالی بسترها طی فرآیند ماشینکاری عملی نباشد. همچنین استفاده از فیلت چسبی در طی عملیات ساخت و پخت، به خصوص زمانیکه از یک چسب با ویسکوزیته پایین استفاده میشود کنترل شکلدهی آن کار آسانی نیست. به سبب مشکلات ذکر شده در بالا آقای فیتون و همکارانش در سال 2005 یک مدل جدید برای کاهش تمرکز تنش در لبهها ارائه دادند. در روش ارائه شده آنها پیشنهاد دادند که برای کاهش تمرکز تنش در اتصال، مدول متفاوت در طول اتصال استفاده شود
کوگ نارد و همکارانش در سال 2011 به صورت عددی اتصال تک لبه را بررسی و تاثیر وجود فیلت محدب، مقعر، مورب، سهموی و بدون فیلت را بر روی توزیع تنش مطالعه کردند
1 - 1 روش های توزیع تنش در اتصال تک لبه
روشهای تحلیل تنش به سه دسته زیر تقسیمبندی میشود:
- 1 روش تحلیلی - 2 روش شبه تحلیلی - 3 روش عددی
2 - 1 روش تحلیلی توزیع تنش در اتصال تک لبه
اولین تجزیه و تحلیل اتصال چسبی توسط ولکرسن ارائه شد.[1] اولین کسانی که روابط ولکرسن را بهبود بخشیدند گولند و رایسنر بودند.[2] در فرمول گولند و رایسنر بار اعمالی، به لبه مقطع اتصال وارد میشود.
در این تحلیل گولند و رایسنر روابط خود را برای سه صفحه ارائه کردهاند : دو صفحه معرف قطعات پایه - متصلشونده - و صفحه دیگر مربوط به لایه چسب میباشد - شکل - 1؛ با توجه به اتصال و انحنای صفحه میانی، معادلات بر اساس معادلات دیفرانسیلی خیز صفحه استخراج میشوند.
شکل 1 تعادل نیروها و گشتاورها در مقطع اتصال
-2 صحت سنجی
در این مقاله نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با نتایج بهدست آمده برای توزیع تنشها از دو روش تحلیلی[9] و عددی[6] برای تنشهای برشی و پوستکنی مقایسه شد. به این منظور برای مقایسه نتایج المان محدود و تحلیلی [9] از یک اتصال تک لبه با ابعاد استاندارد مطابق آنچه در شکل 2 نشان داده شده است استفاده میشود. نتایج بدست آمده از این دو روش برای تنش پوستکنی در شکل 3 ارائه شده است. مقایسه نتایج بدست آمده، انطباق مناسب بین نتایج را برای هر دو تنش نشان میدهد.
شکل 2 پیکربندی اتصال به کار رفته در صحت سنجی تحلیلی
