ПРИМЕНЕНИЕ CZM ДЛЯ ОЦЕНКИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Клееное соединение используется в различных отраслях, таких как автомобилестроение, авиацию, строительство. Данный тип соединения позволяет связывать различные материалы и обеспечивать их прочность ввиду широкого ассортимента клев, обладающими разнообразными адгезионными свойствам. Для обеспечения надежности и долговечности клеевых соединений необходимы эффективные методы их анализа. Самым доступным способом является применение Cohesive Zone Model (CZM), который позволяет детализовано изучать механическое поведение клеевых соединений.

Модель CZM основана на концепции, что разрыв между соединяемыми материалами может быть представлен расчетной зоной, в который происходят процессы разрушения. Эта зона описывает поведение материала под нагрузкой, включая его деформацию и критические условия разрушения.

Основная идея CZM заключается в замене традиционной модели соединений на модель, которая учитывает межфазные взаимодействия на уровне микро-макроструктуры. Это позволяет учитывать как механическое, так и физические поведение клея, а также характеристики материалов, с которыми он взаимодействует.

Механизм действия CZM представляет собой элементарную модель разрушения, в которой производится анализ взаимодействия между частями материала. В CZM вводится понятие «когезионной зоны», которая моделируется как слой между двумя основными телами. В этой зоне определяются начальные условия разрыва, которые могут быть как хрупкими, так и пластичными [1].

Основными параметрами являются:

1. Параметры прочности: максимальное значение напряжения, при котором начинается разрушение.
2. Параметры деформации – значения деформаций, при которых происходит полное разрушение связующего материала.

Работу CZM можно описать 3-мя законами поведения [2]:

Mode 1: раздел материалов происходит ввиду смещения, перпендикулярного границе раздела.

Рисунок 1. Mode 1

Уравнение, описывающее первый закон:

Где:

K_n – нормальная когезионная жесткость;

T_n^max – максимальное нормальное когезионное сцепление;

δ_n^* – нормальное смещение при максимальном обычном сцеплении;

δ_n^с – нормальное смещение при отрыве;

α– отношение δ_n^* к δ_n^с;

D_n – параметр повреждения по Mode 1.

Mode 2: Раздел материалов происходит ввиду смещения, касательного к границе раздела.

Рисунок 2. Mode 2

Уравнение, описывающее второй закон:

Где:

K_t – касательная когезионная жесткость;

T_t^max – максимальное касательное когезионное сцепление;

δ_t^* – касательное смещение при максимальном обычном сцеплении;

δ_t^с – касательное смещение при отрыве;

α – отношение δ_t^* к δ_t^с;

D_t – параметр повреждения по Mode 2.

Mixed: В смешанной форме раздел материалов может происходить как по нормали, так и по касательной. Для учета разницы между Mode 1 и Mode 2 вводится безразмерный коэффициент:

Нормальная и тангенциальная составляющие сцепления выражаются следующим образом:

Параметр повреждения D_m, связанный с билинейным законом сцепления смешанного типа, определяется как:

CZM позволяет проводить численные ситуации, дающие возможность предсказать поведение клеевых соединении под действием различных нагрузок. Моделирование позволяет увидеть, как распределяются напряжения и деформации в клеевых соединениях, а также выявить по потенциальные слабые места.

CZM применяется для следующих исследований:

1. Анализ прочности соединений: на основание заданных свой клея и материалов, определяются прочностные характеристики.
2. Оценка долговечности: исследуется поведение соединения при воздействии внешних фактов с приложенной длительной нагрузкой.
3. Тестирование в условиях перегрузок: моделируются воздействия от статических и динамических нагрузок.

Преимуществом CZM выступает гибкость применения. Оно может быть адаптировано для разных типов клеевых соединений и материалов. Применение CZM дает возможность детально проанализировать поведение клеевых соединений на микроуровне, с применение графического отображения процессов разрушения, что позволяет верно интерпретировать данные.

CZM также создает и ограничения. Модель усложняется, поэтому требует тщательной проверки выбранных параметров, для исключения ошибочных выводов и применение более тщательной верификации полученных результатов.

CZM является нужным инструментом для оценки клеевых соединений, дающее глубокое понимание процессов разрушения. Несмотря на свои ограничения CZM позволяет проводить количественные и качественные анализы, способствующие развитию новых клеевых технологий и улучшения процессов соединения в различных отраслях.