本發(fā)明涉及一種膠接連接結(jié)構(gòu)及其制備方法，尤其涉及齒形端面連接結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于材料連接方法和技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

膠接連接是一種廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件之間相互作用的結(jié)構(gòu)形式，膠接強(qiáng)度是評(píng)價(jià)連接性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。提高膠接強(qiáng)度的方法主要包括：(1)使用力學(xué)性能更優(yōu)的被連接件材料和膠黏劑；（2）優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)幾何特征，使得連接載荷光順傳遞，盡可能避免局部應(yīng)力集中。使用高性能材料往往大幅度增加產(chǎn)品的制造成本，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大限制。膠接結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的受力分布，在膠接面，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)凹槽形分布，連接兩端應(yīng)力大，中部應(yīng)力小。如圖1所示，等寬等厚被連接件8和連接件之間形成單搭接膠接接頭結(jié)構(gòu)，二者之間的搭接區(qū)填充粘接劑7，通常膠接連接的被連接件8設(shè)計(jì)成等厚度、等寬度結(jié)構(gòu)。這種被連接件通過粘接形成的膠接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中顯著，膠接強(qiáng)度低。因此，優(yōu)化兩端應(yīng)力分布，減小最大應(yīng)力值是避免應(yīng)力過度集中的有效途徑。在軸向載荷下，邊緣效應(yīng)帶來的局部過大應(yīng)力也是引起邊緣裂紋產(chǎn)生的又一重要因素。在疲勞載荷下，膠接界面的裂紋隨著循環(huán)載荷次數(shù)的增加逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋發(fā)展到一定程度后整個(gè)膠接結(jié)構(gòu)無法承受后續(xù)載荷而完全失效，阻止裂紋在膠接面的迅速擴(kuò)展可以大幅度提高膠接的疲勞壽命，因此，優(yōu)化膠接連接幾何結(jié)構(gòu)，避免端部和兩側(cè)的應(yīng)力集中，同時(shí)通過相應(yīng)設(shè)計(jì)來阻止裂紋在疲勞載荷下快速擴(kuò)展對(duì)提高膠接強(qiáng)度大有裨益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足,本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種連接強(qiáng)度高、連接部位應(yīng)力集中小的齒形端面膠接結(jié)構(gòu)和方法。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：

一種齒形端面的膠接連接結(jié)構(gòu)，包括上下重疊放置的被連接部件和連接部件，所述被連接部件和連接部件的連接端結(jié)構(gòu)基本相同并相互搭接形成單搭接膠接接頭，所述被連接部件和連接部件的連接端之間的搭接區(qū)域填充粘結(jié)劑從而形成膠接區(qū)域，其特征在于：

與傳統(tǒng)的等寬度等厚度單搭接連接結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明的齒形端面連接結(jié)構(gòu)采用楔形段過渡，所述被連接部件和連接部件的連接端均包括等厚度連接段和楔形段，其中，所述等厚度連接段至少有一部分位于膠接區(qū)域，所述楔形段全部處于膠接區(qū)域，所述楔形段上端兩側(cè)的棱邊形成邊緣倒角，該邊緣倒角至少光滑過渡至位于膠接區(qū)域的等厚度連接段，從而可以避免連接結(jié)構(gòu)剛度急劇變化，有效緩解連接段端部的應(yīng)力集中；

在所述楔形段厚度較薄的末端采用鋸齒狀的齒形邊界過渡，用于光順連接結(jié)構(gòu)的剛度過渡，在疲勞載荷下可以抑制粘接界面裂紋擴(kuò)展

優(yōu)選地，所述邊緣倒角可進(jìn)一步設(shè)置為內(nèi)凹形，內(nèi)凹形邊緣倒角可以有效的緩解連接結(jié)構(gòu)橫向自由邊界效應(yīng)引起的應(yīng)力集中。

進(jìn)一步地，內(nèi)凹形的邊緣倒角在側(cè)面也有一定的過渡弧，可以有效減小縱向和橫向的應(yīng)力集中，使得連接剛度光順過渡。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以最大限度光順剛度的過渡，大幅緩解連接端部的應(yīng)力集中，提高膠接的承載能力。

所述齒形端面的膠接連接結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該連接結(jié)構(gòu)可采用多種制備方法制造，如模具制備方法；對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可預(yù)先按照尺寸裁剪纖維，然后按照相應(yīng)的成型工藝制備滿足尺寸要求的被連接件；或在塊狀樣件上采用機(jī)械加工成相應(yīng)尺寸的被連接件。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案提供了三種齒形端面膠接結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：

1）模具制備法

（1）根據(jù)需求將被連接件的連接端設(shè)計(jì)成等寬度、等厚度結(jié)構(gòu)；

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可填充、可澆筑或者可鋪層的模具；

（3）利用模具制備出連接部件的連接端結(jié)構(gòu)；

（4）在連接端結(jié)合面從一端向另一端涂覆粘接劑，避免粘接面引入氣泡；

（5）采用對(duì)中裝置，將被連接件的連接端重疊對(duì)齊，加壓，加熱固化。

2）鋪層制備方法（適用于纖維復(fù)合材料成型工藝）

（1）根據(jù)需要設(shè)計(jì)連接端結(jié)構(gòu)以及尺寸；

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸將纖維復(fù)合材料裁剪成需要的形狀；

（3）在鋪層成型模具中鋪設(shè)纖維到所需厚度；

（4）采用真空導(dǎo)入或者模壓方法固化；

（5）連接端粘接工藝與1）模具制備方法中（4）（5）步驟相同。

3）機(jī)加工成型方法

（1）根據(jù)需要設(shè)計(jì)連接部件的結(jié)構(gòu)尺寸；

（2）選擇合適的塊狀樣件，在機(jī)加工設(shè)備上加工成型；

（3）連接端粘接工藝與1）模具制備方法中（4）（5）步驟相同。

同現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，本發(fā)明的齒形端面膠連接結(jié)構(gòu)及其制備方法具有以下顯著技術(shù)效果：

1. 本發(fā)明的齒形端面膠接連接結(jié)構(gòu)采用楔形結(jié)構(gòu)作為過渡段，較傳統(tǒng)的等寬度等厚度單搭接連接結(jié)構(gòu)，可以有效的緩解連接段端部的應(yīng)力集中。

2.采用內(nèi)凹形邊緣倒角貫穿等厚度連接段和楔形段兩側(cè)，可以有效緩解連接結(jié)構(gòu)橫向因截面突變?cè)斐傻膽?yīng)力集中。

3.在滿足同等承載條件下，本發(fā)明的齒形端面膠接連接結(jié)構(gòu)可以在不明顯增加重量和制造成本基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)膠接強(qiáng)度的大幅提升。

附圖說明

圖1. 傳統(tǒng)等寬度等厚度單搭接連接結(jié)構(gòu)正視圖；

圖2. 本發(fā)明的齒形端面膠連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3. 本發(fā)明的齒形端面膠連接結(jié)構(gòu)正視圖；

圖4. 本發(fā)明的齒形端面膠連接結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖5. 等厚度連接件和楔形連接件中膠層的剝離應(yīng)力分布圖。

其中：1-連接部件，2-被連接部件，3-等厚度連接段，4-楔形段，5-邊緣倒角，6-齒形邊界，7-粘結(jié)劑，8-等寬等厚被連接件。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解。需要說明的是，以下所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)際上，在未背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可以在本發(fā)明中進(jìn)行各種修改和變化，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分示出或描述的特征可以與另一個(gè)實(shí)施例一起使用來產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施例。因此，意圖是本發(fā)明將這樣的修改和變化包括在所附的權(quán)利要求書和它們的等同物的范圍內(nèi)。

如圖2-4所示，本發(fā)明的齒形端面膠接連接結(jié)構(gòu)，包括上下重疊放置的被連接部件1和連接部件2，二者的連接端結(jié)構(gòu)基本相同并相互搭接形成單搭接膠結(jié)接頭，被連接部件1和連接部件2之間的搭接區(qū)域填充粘結(jié)劑7從而形成膠結(jié)區(qū)域，被連接件1的連接端包括等厚度連接段3和楔形段4，其中等厚度連接段3至少部分位于膠接區(qū)域，楔形段4全部處于膠接區(qū)域。楔形段4兩側(cè)上端的棱邊形成邊緣倒角5，該邊緣倒角5至少光滑過渡至位于膠接區(qū)域的等厚度連接段3，從而可以避免連接結(jié)構(gòu)剛度急劇變化，可以有效的緩解連接段端部的應(yīng)力集中。邊緣倒角5可進(jìn)一步設(shè)置為內(nèi)凹形，內(nèi)凹形邊緣倒角5可以有效的緩解連接結(jié)構(gòu)橫向自由邊界效應(yīng)引起的應(yīng)力集中。進(jìn)一步地，內(nèi)凹形的邊緣倒角5在側(cè)面也有一定的過渡弧，可以有效減小縱向和橫向的應(yīng)力集中，使得連接剛度光順過渡。在楔形段4厚度較薄的末端形成鋸齒狀的齒形邊界6，用于光順連接結(jié)構(gòu)的剛度過渡，在疲勞載荷下可以抑制粘接界面裂紋擴(kuò)展。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以最大限度光順剛度的過渡，大幅緩解連接端部的應(yīng)力集中，提高膠接的承載能力。

如圖5所示，展示了等厚度連接和楔形連接在兩端拉伸載荷作用下膠層中的剝離應(yīng)力，在膠層的兩端都會(huì)出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是楔形連接件（B-B）比等厚度連接件（A-A）膠接的剝離應(yīng)力小很多?，F(xiàn)有的研究表明剝離應(yīng)力是引起膠接失效的主導(dǎo)應(yīng)力矢量，剝離應(yīng)力越大，膠接承載能力越差，因此，采用楔形膠接可以大幅提高膠接強(qiáng)度，楔形連接件膠接構(gòu)型具有突出的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明的齒形端面膠接連接結(jié)構(gòu)的制備，包括如下三種制備方法及過程：

方法一：模具制備法

（1）根據(jù)需求將連接部件和被連接部件的連接端設(shè)計(jì)成等寬度、等厚度結(jié)構(gòu)；

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可填充、可澆筑或者可鋪層的模具；

（3）利用模具制備出連接部件和被連接部件的連接端結(jié)構(gòu)；

（4）在被連接部件的連接端結(jié)合面從一端向另一端涂覆粘接劑，避免粘接面引入氣泡；

（5）采用對(duì)中裝置將被連接件的連接端重疊對(duì)齊，加壓，加熱固化；

方法二：鋪層制備方法，適用于纖維復(fù)合材料成型工藝

（1）根據(jù)需要設(shè)計(jì)連接端結(jié)構(gòu)以及尺寸；

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸將纖維復(fù)合材料裁剪成需要的形狀；

（3）在鋪層成型模具中鋪設(shè)纖維到一定厚度；

（4）采用真空導(dǎo)入或者模壓成型方法固化；

（5）連接端粘接工藝與方法一模具制備法中步驟（4）、（5）相同；

方法三：機(jī)加工成型方法

（1）根據(jù)需要設(shè)計(jì)連接部件的連接端的結(jié)構(gòu)尺寸；

（2）選擇合適的塊狀樣件，在機(jī)加工設(shè)備上加工成型；

（3）連接端粘接工藝與方法一模具制備方法中的步驟（4）、（5）相同。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。