一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置及取样方法和胶条预埋位置优化方法与流程

本发明涉及一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置及取样方法和胶条预埋位置优化方法，属于粘接结构试验测试与技术领域。

背景技术：

随着工业新材料、新技术以及轻量化的不断发展，粘接技术应用得到广泛应用。胶粘剂主要分为弹性胶粘剂和结构胶粘剂，高铁车窗主要用的弹性胶粘剂。通过使用粘接技术，可以实现异种材料之间的连接，增强连接结构的刚性、耐久性和抗冲撞性。将粘接技术应用于车体可以提高驾乘的舒适性、降低车内噪音、减少震动、降低重量、降低能耗、简化工艺、提高产品质量，甚至达到焊接、铆接等方法所难以达到的效果。

高速动车组列车在使用过程中需要适应复杂的服役环境，因此应用于高速动车组列车车身的粘接结构往往处于复杂环境因素(温度、湿度)作用下。粘接剂的粘接性能受环境(温度、湿度)影响较为明显，在长期使用过程中会出现老化现象，从而导致粘接结构性能降低，很大程度上阻碍了粘接技术在车身连接中的应用。

在这种技术背景下，胶粘剂的自然环境老化试验尤为必要，目前实车车窗粘接结构在自然老化条件下老化性能测试困难，由于自然老化后的胶条需要从运行一定里程后的高速动车组检修时车窗粘接结构上切割下来，切割时很难保证胶条完整，难以制作尺寸统一、厚度均匀且无损伤的哑铃型试件。用这种哑铃型胶条进行胶条强度测试所得到的应力-应变曲线、拉伸强度等力学性能参数均存在很大误差，无法通过后续老化失效试验评估粘接结构的老化失效行为，判断粘接结构是否安全。基于以上情况，本发明提出一种便于自然老化试验样件切割的试验装置及试验方法，完善现有样件制备的不足。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置，能够克服现有实车车窗粘接结构在自然老化条件下取样困难，无法保证取样完整和取样精度，影响后续测试结果的问题。

本发明还设计开发了一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样方法，能够快速准确的取出试样，并保证所取试样的尺寸精度。

本发明还设计开发了一种胶条预埋位置优化方法，能够在不打断胶体连续性、不影响整体强度的前提下，胶条试样预埋位置进行选取定位。

本发明提供的技术方案为：

一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置，包括：

第一框架，其一端垂直设置有第一凸起，另一端垂直设置有第一凹槽，中部向内侧凹陷；

第二框架，其一端垂直设置有第二凹槽，另一端垂直设置有第二凸起，中部向内侧凹陷；

其中，所述第一凸起与所述第二凹槽相配合，所述第一凹槽与所述第二凸起相配合，使所述第一框架和所述第二框架可拆卸连接形成框架整体；

第一开槽位，其开设在所述第一框架和所述第二框架内外两侧的侧面上；

第二开槽位，其与所述第一开槽位间隔设置；

多个预留孔，其分别设置在所述第一开槽位和所述第二开槽位的两端。

优选的是，所述预留孔与所述开槽位相切。

优选的是，还包括：

两个连接板，其可拆卸的安装在所述框架整体的两个端面外部。

优选的是，所述间隔为2mm。

优选的是，所述框架整体四周涂覆有特氟龙涂层。

优选的是，所述框架整体呈哑铃形结构。

优选的是，所述第一框架和所述第二框架顶部设置有刻度。

一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样方法，使用所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置，其特征在于，具体包括如下：

步骤1、切取取样装置轮廓；

步骤2、将所述取样装置轮廓定位在试验台上，使用钻孔工具对准取样装置一侧的预留孔，从取样装置一侧向另一侧进行钻孔，得到两端具有通孔的取样装置；

步骤3、将切割工具依次伸入取样装置轮廓一端的通孔中，沿着开槽位由一端向另一端进行切割；

步骤4、将第一框架和第二框架拆开，去除并撕开多余胶条，得到目标试样。

一种胶条预埋位置优化方法，使用所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置，其特征在于，对所述取样装置的预埋位置进行优化，包括如下：

确定目标车窗尺寸；对窗体的粘接胶层施加垂向载荷，进行分析计算；根据分析结果，确定预埋位置；

其中，确定预埋位置为靠近最大应力区域和最大变形区域的车窗侧边沿。

优选的是，所述车窗的粘接胶层所承受的最大应力为0.52mpa，最大变形处的变形值为0.241mm。

本发明所述的有益效果：

1、在高速动车组车窗安装涂胶时，采用预埋方式备好试验所需哑铃型试件，当需要测试自然老化的胶条剩余强度时，在车窗四周的预埋处取下试样，通过简单切割处理直接得到尺寸精度较高的试样。

2、采用预埋试件方式避免了目前手工割件尺寸不统一，厚度不均匀的情况，所得试样可直接进行试验，能够准确描述其材料力学性能。

3、预埋取样装置结合有限元仿真位置优化，能够在不打断胶体连续性、不影响整体强度、能够较为准确反映所受载荷的情况下对预埋位置进行选取定位。

4、利用本装置能够解决寿命预测试验试件难以切割的缺陷，设计出标准所需尺寸及表面光滑完整的试件，方便后续预测并评估车窗粘接结构的自然老化失效行为，为高速动车组车窗粘接结构的强度设计提供试验与理论上的支撑。

5、连接板与取样装置本体左右部件之间采用外六角螺钉相连，与其他结构螺钉如十字型螺钉相比，外六角螺钉螺帽处被胶体覆盖后胶体易于清理，便于旋出。

附图说明

图1为本发明所述的高铁车窗的窗体总成示意图。

图2为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置的轴测图。

图3为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置的爆炸图。

图4为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置的正视图。

图5为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置的俯视图。

图6为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置的左视图。

图7为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置的a-a剖视图。

图8为本发明所述的高铁车窗的窗体几何模型图。

图9为本发明所述的用于粘接结构老化性能试验的胶条试样和取样装置的预埋位置正视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-9所示，本发明提供一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样装置，包括：窗体100、取样装置200、左框210架、第二框架260、第一开槽位230、第二开槽位260、预留孔280a、280b以及连接板240。

取样装置200预埋在窗体100的粘接结构中，高铁车窗窗体100结构采用双层玻璃，由两层或两层以上普通平板玻璃所构成，110为窗体总成外玻璃，120为胶体(即取样装置埋入位置)，130为窗框结构，140为窗体总成内玻璃。玻璃四周用高强度、高气密性复合粘结剂，将两片或多片玻璃与密封条、玻璃条粘接密封，中间充入干燥气体，框内充以干燥剂，以确保玻璃片间空气干燥度。

取样装置包括：第一框架210和第二框架260，第一框架210和第二框架260相对设置，第一框架210的一端垂直设置有第一凸起，另一端设置有第一凹槽，第二框架260的一端垂直设置有第第二凹槽，另一端垂直设置有第二凸起，其中，第一凸起与第二凹槽相配合，第一凹槽与第二凸起相配合，使第一框架和第二框架可拆卸连接形成框架整体。第一框架210和第二框架260的中部均向内侧凹陷，使框架整体呈哑铃型结构。

框架整体的两端还设置有连接板250，连接板250通过螺钉240与框架整体可拆卸连接。框架整体两端设置有螺钉孔，螺钉240与螺钉孔之间设置为过盈配合，用于防止未固化交替侵入。第一框架230和第二框架260之间通过凹槽和凸起在连接时限制其长度方向自由度，并通过连接板250与螺钉240的配合限制其宽度方向的自由度。

在第一框架210和第二框架260的顶端面上，均设置有刻度标识220，刻度标识沿第一框架210和第二框架260的两端对称设置，两端刻度标识220之间的距离大于所需样件的长度，利用刻度标识进行长度方向的尺寸定位，方便试样切割。在第一框架210和第二框架260的内外两侧，均设置有第一开槽位230和第二开槽位260，第一开槽位230和第二开槽位260上下错开，并且第一开槽位230和第二开槽位260之间的间距为2mm，并且沿着取样装置四周的2mm侧壁，不包括上下表面，涂覆有特氟龙涂层，防止剥离时胶体与取样装置之间粘连。为保证胶条连续性，取样装置顶部和底部不进行特氟龙涂层处理。

多个预留孔设置在第一开槽位230和第二开槽位260的两端，第一预留孔280a设置在第一开槽位230的两端，第二预留孔280b设置在第二开槽位260两端，第一预留孔280a、第二预留孔280b的圆心与第一开槽位230和第二开槽位260不在同一水平线上，第一预留孔280a与第一开槽位边缘相切，第一预留孔280a的圆心偏下，位于第一开槽位230的下方，第二预留孔280b的圆心与第二开槽位260的边缘相切，第二预留孔280b的圆心偏上，位于第一开槽位260的上方。

第一开槽位230和第二开槽位260在长度方向相互错开，提高连接薄弱处刚度。开槽位的长度大于所取试样的长度。

在本发明中，作为一种优选，取样装置的材料选用模具钢，相比于铝合金模具，模具钢耐磨性好、镜面抛光性能好、硬度高、寿命长，成本也低于铝合金材质。表面粗糙度应大于rz0.8，因此模具需经过打磨和抛光工序。

本发明还提供一种用于粘接结构老化性能试验的胶条试样取样方法，具体包括如下步骤：

步骤1、切取取样装置轮廓；

当需要提供车辆粘接结构运行里程的三级修、四级修及五级修胶条时，在玻璃车窗与窗框密封胶中用刀具割取出预埋取样装置的大体轮廓，切取时务必按照模具外轮廓切割，下刀时避免切入到取样装置内部胶条试样部分，取出后沿模具顶部及底部边缘将上顶面及下底面多余胶体切除干净，用刮刀将模具外围胶体刮除干净，得到内部存有胶条，外部完整无多余胶体的取样装置；

步骤2、将取样装置定位后进行钻孔；

将取出的完整取样装置放置在平整试验台上，将取样装置加固，保证钻孔过程中工件稳固；钻孔开始时，先用刚性好的微型定心钻打一个深度为1～2倍直径的初始孔，定心钻的钻尖顶角应等于或大于最终钻孔的微钻顶角，若定心钻的顶角较小，则随后微钻切入时，两切削刃比顶尖先接触工件，容易增大孔的偏差，后持微型钻头从取样装置一侧穿透预留孔至另一侧，在钻孔过程中采用分步钻孔序列，即周期性退出钻头，防止胶体粉末堵塞，对于钻孔过程中胶体产生的大量细小粉末状材料可采用压缩空气的方法帮助排屑。在钻孔开始与结束时，进给量应降低1/3以便消除定心误差；

步骤3、取样装置内试样切割，取样装置两侧的四个预留孔钻透完毕，将超细金刚石线或钢丝锯锯条一端伸入钻孔中沿模具长度方向上下开槽处分别进行切割，切出模具中部胶条2mm厚试样，此时胶条厚度及宽度均为标准要求尺寸。至于长度方向切割定位使用模具顶部表面刻度标识，钢尺对齐左右两侧刻度标识，用锋利刻刀沿已对齐的钢尺进行长度方向上胶体切割即得到试验尺寸要求的标准试样。

步骤四：取出试样，切割完毕的标准试样内嵌于取样装置胶体中，为取出试样，将取样装置两侧螺钉240旋出，连接250板卸下，解除取样装置左第二框架宽度方向自由度，随后将左第二框架通过凹槽和凸起分离使胶体暴露，用镊子将顶层和底层胶条撕开，剥离两侧多余胶体，将中部2mm试验胶条取出。

本发明还提供一种胶条预埋位置优化方法，采用有限元仿真分析方法，在不打断胶体连续性、不影响整体强度、能够较为准确反映所受载荷的情况下对预埋位置进行选取定位，具体如下：

步骤一、建立几何模型；

依据某型号高速动车组cad图纸，按照标注尺寸进行几何模型建立。

步骤二、进行网格划分；

对车窗几何模型进行网格划分，有限元网格划分采用自底向上的拓扑创建，从2d网格至3d六面体网格的创建方法；对模型进行几何清理消除倒角后，在模型表面进行二维正方形网格划分，二维网格采用对称画法，分别以横纵坐标轴作为对称线将车窗1/4划分完毕后，对窗框边缘主要受力区域进行网格加密，以提高分析精度，随后对称画出整窗二维网格。通过2d单元控制六面体单元形状，二维划分完毕后进行网格质量检查，雅克比控制在0.3以内，长宽比控制在1.2％以内，以正方形为最优，网格最小尺寸控制大于1mm。随后使用solidmap映射模块在正方形2d网格基础上一次拉伸出六面体网格，删除原有表层多余2d网格，车窗网格划分完毕；模型网格划分信息为采用八节点六面体单元划分网格，实体单元尺寸约1.5mm，有限元模型包括：943252个节点，706000个实体单元；

步骤三、对窗体施加垂向载荷，进行有限元分析计算；

赋予窗框不锈钢材料，车窗赋予玻璃材料，分别设置不锈钢材料弹性模量206gpa及泊松比0.3，玻璃材料弹性模量55gpa及泊松比0.25；随后将二者装配；粘接结构按照en12663标准规定的工况和气动均布载荷进行计算，高速动车组隧道工况为最危险工况，设置此时气动均布载荷为6000pa，在窗体玻璃表面施加垂向均布载荷，限制相关自由度约束车窗在运行过程中振动位移，最终建立车窗有限元分析模型。

步骤四、根据分析结果，确定预埋位置；

通过对计算结果中粘接胶层应力分布云图及变形云图的分析确定取样装置预埋位置；预埋位置选取首要原则是在不影响结构强度的情况下选择尽量贴近应力最大的区域，预埋件整体应处于应力均匀的区域即同一应力水平下，保证应力分布一致性，最终将仿真预埋位置选取结果应用到打胶时预埋件实际放置位置；

根据有限元仿真计算结果可知粘接结构胶层所承受的最大应力σ为0.52mpa，位置位于车窗下边沿，最大变形处变形值为0.241mm，位置位于车窗上边沿；

因此，预埋位置选在窗体侧部左边沿或右边沿；选取这两个位置一方面较为靠近应力最大区域又与其保持一定距离，避免因过近造成窗体强度下降。另一方面是由于左边沿和右边沿应力分布较为均匀，使试件能够处于同一应力水平下，保证老化试验试验效果。

生产中车窗玻璃粘接通常采用人工打胶的方式，采用粘接工艺，根据车窗的大小、厚度及重量因素选用能满足工艺要求的粘接剂。粘接流程如下：清洁基材—前窗玻璃研装—防护—刷涂活化剂—刷涂底涂剂—打胶—前窗粘接—干燥—清洁基材—防护—刷涂活化剂—刷涂底涂剂—打胶—刮胶—干燥。

具体步骤：使用纸基胶带对前窗和车体窗框粘接部位周围进行防护；使用干净的毛刷蘸活化剂刷涂到粘接部位；沿一个方向刷涂，要求刷涂均匀，无漏涂，用干净的无纺布沿一个方向将粘接部位刷涂的活化剂擦拭干净。活化剂晾干30min。使用干净的毛刷蘸底涂剂刷涂到相应粘接部位，沿一个方向刷涂，要求刷涂均匀，无漏涂。底涂剂晾干30min。打胶之前需提前计算胶层的厚度，以便裁剪胶枪胶嘴的尺寸；打胶结束后晾干一段时间，待胶体稍凝固后按照有限元位置优化分析结果进行胶体预埋，在窗框胶体侧部固定位置将模具扣紧在胶体上并浸没，使取样装置被胶体填实充盈，取样装置内部长度方向中央2mm侧壁、除上下表面的取样装置外部四周涂覆特氟龙涂层使用特氟龙涂层处理以防止胶粘剂粘于取样装置上，影响后续哑铃型试件制作及取样装置清理。取样装置厚度为4mm，低于窗框密封胶厚度，预埋结束后对打胶填充不饱满的部位，应在预埋结束后使用刮刀填平。随后进行车窗安装，使用吊具将车窗吊运至车体窗框粘接面并使两者紧贴，调整玻璃使之与车体四周缝隙均匀，用力按压车窗至车窗玻璃外沿与车体外沿吻合。粘接完毕后使用绑紧器将车窗玻璃与车体绑紧。在所有窗户完全粘合7天后，进行缝隙处的腻子密封。在玻璃和覆盖层压板边缘拼接遮光纸带。使用干净的无纺布涂上清洁剂清洁表面，通风时间为5分钟。使用活化剂清洁密封处，再用平滑剂平滑粘结剂，在密封和平滑缝隙后立即将遮光纸带去除。玻璃抬起和缝隙腻子密封后用夹具和板条对车窗进行保护，前窗使用带子保护，带子严禁连续变形。最后进行粘合剂干燥，干燥开始后内严禁进行倒拉车等引起车体剧烈振动的作业内容，并在窗上粘贴警示语。干燥结束后。拆除绑紧器。使用壁纸刀将粘接部位溢出的胶割除，用干净的无纺布蘸底涂剂擦拭粘接部位的车体窗框和前窗玻璃，并干燥5min。要求基材表面无油污、灰尘、水分、锈迹等。

当需要提供车辆粘接结构运行里程的三级修、四级修及五级修胶条时，在窗框密封胶中割取出预埋的取样装置，用刮刀将取样装置外围胶体刮除干净，随后用微型钻头穿透预留孔，将超细金刚石线或钢丝锯锯条一端伸入钻孔中沿取样装置长度方向上下开槽处分别进行切割，切出取样装置中部胶条2mm厚试样，此时试样长度比标准用试样长度长16mm，宽度为标准要求的8mm，因此需对长度方向尺寸进一步切割。长度方向切割定位使用取样装置表面刻度标识，用普通锋利刻刀沿刻度标识处进行宽度方向上胶体切割即得到试验尺寸要求的标准试样。随后将两侧螺钉旋出，连接板卸下，左右部件通过拔插机构分离使胶体暴露，用镊子将顶层或底层胶条撕开，将中部2mm试验胶条取出。

从高速动车组三级修、四级修及五级修里程的车窗中随机提取预埋取样装置并按上述方法切割出试验要求尺寸试样后，利用电子万能试验机对哑铃型试件进行准静态拉伸作用加载直至试件断裂破坏，利用非接触式引伸仪捕捉胶粘剂哑铃型试件的变形量，记录胶粘剂哑铃型试件的应力-应变曲线，得到其剩余强度并与实验室强化老化曲线对比，初步建立行驶里程和人工加速老化试验循环次数之间的近似关系；基于该近似关系，选择恰当的安全系数，设计强化试验，预测并评估车窗粘接结构的自然老化失效行为，以确定合适的检修方案。

后续粘接结构寿命预测：

步骤一：按照交变气候测试条件与动态载荷谱对阳极处理铝合金粘接试件进行温度循环-动态载荷循环耦合动态试验，试验完成后使用拉伸试验机对粘接试件进行拉伸试验，测得每个粘接试件在耦合动态试验后的剩余强度。试验结束后，排除个别无效的实验数据并取每组试验数据的平均值作为该动态载荷谱循环次数q下的粘接试件剩余强度t，t1即是在交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数q1时粘接试件胶层的剩余强度，tn表示交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数qn时粘接试件胶层的剩余强度。

步骤二：在交变气候测试条件下，对温度与不同动态载荷循环次数耦合条件下的金属粘接试件失效模式、剩余强度结果进行统计分析；绘制交变气候测试条件温度与湿度耦合环境下，剩余强度t＝φ(q)与不同动态载荷谱循环次数q之间的关系曲线，并进行规律性的总结。以动态载荷循环次数q为自变量，剩余强度t为因变量，拟合曲线得到t＝φ(q)的函数关系。

步骤三：提取高速动车组不同运行里程的车窗粘接结构胶条，选取高速动车组运行l1、l2、l3、…、ln公里时车窗粘接结构上的粘接胶条，通过拉伸试验测试胶条的剩余强度为t1、t2、t3、…、tn，拟合曲线建立剩余强度t与高速动车组运行公里数l之间的老化关系曲线t＝φ(l)。

步骤四：通过将t＝φ(q)与t＝φ(l)之间的函数关系联立，初步建立行驶里程l和交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数q之间的近似关系l＝φ(q)。

步骤五：基于该近似关系l＝φ(q)，通过对粘接试件进行交变气候测试条件下动态载荷谱循环次数q的试验，推算得出粘接试件等效于高速动车组运行l公里时车窗粘接结构。通过拉伸试验得到粘接试件胶条的剩余强度，近似等于高速动车组运行l公里时车窗粘接结构胶条的剩余强度。预测并评估车窗粘接结构的老化失效行为，为高速动车组车窗粘接结构的强度设计提供试验与理论上的支撑。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。