CFRP/Al膠接接頭形貌特征對連接性能影響

陳瀟凱, 符東, 孫凌玉， 李孟強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081； 2. 北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 3. 北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176)

汽車輕量化涉及材料、結(jié)構(gòu)和工藝，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用碳纖維復(fù)合材料與鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑，而在進(jìn)行車身多材料設(shè)計(jì)的過程中會涉及到異種材料的連接問題. 螺栓連接或鉚接等機(jī)械連接會增加結(jié)構(gòu)重量，而膠接有更合適的強(qiáng)度重量比、設(shè)計(jì)靈活性、損傷性能和抗疲勞性能. 影響膠接接頭力學(xué)性能的途徑較多，例如膠接接頭粘接過程、表面處理、材料參數(shù)、幾何尺寸等. Corbett等[1]采用有限元法研究了具有自鎖結(jié)構(gòu)單搭接接頭，獲取較好的單搭接連接性能. Elena等[2]通過有限元法對不同接頭配置(端部凹陷、膠層倒角、CFRP倒角)復(fù)合材料單搭接接頭進(jìn)行分析. Revanth Bodepudi等[3]采用試驗(yàn)方法研究了彎曲結(jié)構(gòu)接頭剪切強(qiáng)度受板材彎曲角度和搭接長度的影響規(guī)律. 陳濤等[4]采用有限元法和試驗(yàn)分析鋼-鋁單搭接膠接接頭的連接效率受母材屈服強(qiáng)度和接頭搭接長度、搭接寬度和膠層厚度的影響規(guī)律，表明實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)選用材料性能相近的材料進(jìn)行連接.

在汽車車身異質(zhì)材料連接時(shí)表現(xiàn)出接頭剛度不平衡特性，而以往文獻(xiàn)研究主要集中在平衡剛度接頭. 文中選取不平衡剛度CFRP/Al單搭接接頭開展搭接區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究不同形貌特性(弧形凹槽和矩形凹槽結(jié)構(gòu))對接頭失效和吸能特性的影響，為工程實(shí)踐中CFRP與Al接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路.

1 CFRP/Al單搭接接頭拉伸試驗(yàn)

1.1 試件材料及其屬性

文中選取2 mm厚的5052鋁合金作為被連接板材，依據(jù)GB/T 228.1—2010[5]制作鋁合金樣件開展拉伸測試，試驗(yàn)得到5052鋁合金的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示.

表1 5052鋁合金基本力學(xué)特性Tab.1 Basic mechanical properties of 5052 aluminum alloys

采用單向碳纖維預(yù)浸料T300制作CFRP層合板，層合板理論厚度為1.55 mm，鋪層順序?yàn)閇45/0/-45/90/0/0/90/-45/0/45]. 依據(jù)ASTM D3039、ASTM D6641、ASTM D3518試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測試CFRP的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度等. 通過試驗(yàn)獲取的CFRP力學(xué)參數(shù)如表2所示. 膠黏劑選用瑞士Kisling的ergo7200牌號，近似各向同性，其力學(xué)參數(shù)如表3所示[6].

表2 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)特性Tab.2 Mechanical properties of carbon fiber composites

表3 膠黏劑力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of adhesive

1.2 試件制備及試驗(yàn)分析

膠黏劑連接對于被連接板材的表面處理要求較高，文中對鋁合金板材和CFRP板材分別進(jìn)行去油污、打磨、丙酮清洗、干燥等處理. 然后在打磨清洗區(qū)均勻涂抹膠粘劑，粘接后固化. 采用MTS電子萬能試驗(yàn)機(jī)，在接頭端部施加2 mm/min的拉伸速率，獲取接頭失效過程的載荷-位移曲線，接頭示意圖如圖1.

通過試驗(yàn)獲取5個(gè)接頭的載荷-位移曲線如圖2所示，接頭承受的最大載荷為5.34 kN，最小載荷為4.92 kN，最大載荷均值為5.152 kN，離散誤差小于5%，試驗(yàn)具有較好的一致性.

2 接頭有限元仿真及驗(yàn)證

2.1 內(nèi)聚力模型理論

文中采用雙線性內(nèi)聚力模型對膠粘劑的力學(xué)屬性進(jìn)行模擬，如圖3所示.

選取二次名義應(yīng)力準(zhǔn)則和B-K準(zhǔn)則對膠層初始損傷階段和損傷擴(kuò)展階段進(jìn)行模擬. 初始損傷和損傷演化如式(1)(2)所示為

(1)

(2)

2.2 膠接接頭有限元建模與驗(yàn)證

基于膠黏劑內(nèi)聚力模型和CFRP面內(nèi)Hashin損傷模型，用ABAQUS軟件建立單搭接膠接接頭有限元模型，如圖4所示. 通過仿真獲取接頭的力-位移曲線與試驗(yàn)曲線對比如圖5所示. 從圖5中可以看出，單搭接膠接接頭在拉伸位移達(dá)到0.275 mm時(shí)達(dá)到最大承載能力，開始發(fā)生破壞，拉伸剪切破壞載荷為5.098 kN，與試驗(yàn)均值誤差為1.04%. 仿真曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢相同，可以充分反映接頭的失效. 需要指出的是，試驗(yàn)過程拉伸機(jī)夾持裝置存在一定空程，故造成接頭試驗(yàn)剛度較仿真略低. 圖6為接頭承載1 kN載荷時(shí)膠層應(yīng)力分布，從圖可以看出膠層中部應(yīng)力幾乎為0，對接頭貢獻(xiàn)較小.

3 不同形貌結(jié)構(gòu)接頭設(shè)計(jì)

3.1 不同形貌特征的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高搭接區(qū)中部膠層利用率，對表4中的5種不同形貌結(jié)構(gòu)的接頭進(jìn)行研究，分別為單搭接接頭、弧形槽接頭和矩形槽接頭. 表中接頭尺寸為：LT=175 mm,LS=25 mm,tc=1.55 mm,tAl=2.0 mm,La=6 mm，接頭2的ha=1.0 mm，接頭3～5的ha分別為1.0,1.5,2.0 mm.

表4 接頭配置表Tab.4 Joint structure list

3.2 5種接頭的性能分析

選取單搭接接頭在單向拉伸載荷下極限破壞載荷和破壞吸能量作為衡量接頭性能的指標(biāo)，依據(jù)表中尺寸建立相應(yīng)的有限元模型并進(jìn)行分析，如圖7所示. 獲取載荷位移曲線和吸能，如圖8所示.

從圖8中可以看出，接頭1、2破壞形式為瞬間失效，接頭3、4、5破壞過程緩慢，說明矩形凹槽結(jié)構(gòu)可以緩解接頭的瞬間破壞，但是由于傳力路徑的改變，凹槽深度增加，接頭能承受的極限載荷越小. 接頭2的破壞吸能小于接頭1，接頭3、4、5均明顯強(qiáng)于接頭1，且吸能性能逐漸增強(qiáng)，提高了抗沖擊性能.

設(shè)定接頭承受1 kN的載荷，此時(shí)膠層處于線彈性狀態(tài). 膠層寬度中線的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布如圖9所示. 共研究了3種接頭的應(yīng)力分布，分別為普通膠接接頭、弧形膠接接頭和5號矩形槽接頭. 為便于分析，文中規(guī)定膠層端部靠近鋁合金板材約束端為右端，膠層端部靠近CFRP約束端為左端. 弧形接頭和矩形凹槽接頭膠層應(yīng)力分布與典型搭接接頭應(yīng)力分布相近，在接頭端部均會產(chǎn)生應(yīng)力集中，但是不同配置接頭也存在明顯差異. 從圖中可以看出弧形接頭和矩形凹槽接頭左端法向應(yīng)力均大于右端，且均大于普通接頭，這是由于碳纖維復(fù)合材料板材厚度小于鋁合金板材厚度，且其在法向剛度小于鋁合金，故在載荷作用下碳纖維法向變形較大，而弧形和矩形凹槽結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了搭接接頭的剛度，載荷作用下左端法向變形增強(qiáng)，從而承受更大的法向力和彎矩.

文中截取接頭區(qū)域應(yīng)力分布和載荷傳遞路徑如圖10所示，結(jié)合圖9可以看出，由于弧形和矩形凹槽結(jié)構(gòu)的存在，增加了膠層中部的應(yīng)力峰值，而普通接頭在搭接區(qū)中部應(yīng)力較小，對接頭貢獻(xiàn)較低，文中將接頭中部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為弧形和矩形結(jié)構(gòu)，改變了載荷傳遞路徑，使中部膠層承受一定的載荷，且中部形成板材互鎖，增強(qiáng)了接頭剛度. 矩形凹槽接頭雖然承受的最大載荷相比基礎(chǔ)接頭降低，但是接頭失效位移增加，抗沖擊性能增強(qiáng). 弧形凹槽結(jié)構(gòu)雖然形成互鎖結(jié)構(gòu)，但效果較差，因?yàn)镃FRP板材和鋁合金板材互鎖作用較弱，且形貌變化造成接頭剛度增加.

4 結(jié) 論

針對CFRP/Al單搭接膠接接頭開展試驗(yàn)和仿真分析，借助有限元方法對接頭力學(xué)特性進(jìn)行分析，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，仿真模型精度較高.

接頭結(jié)構(gòu)對接頭承載特性具有較大的影響，由接頭結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果可知，膠層中部區(qū)域在接頭整個(gè)破壞過程中承載能力較弱，在工程應(yīng)用中可關(guān)注搭接區(qū)中部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì). 弧形凹槽結(jié)構(gòu)對接頭性能具有負(fù)效應(yīng)，破壞載荷和吸能效果相比普通接頭分別降低11.3%和9.88%. 對比不同尺寸矩形凹槽接頭與普通接頭的力學(xué)特性. 結(jié)果表明：與普通接頭相比，矩形凹槽結(jié)構(gòu)雖然使接頭失效載荷有所降低，但是可以提升接頭的吸能特性. 失效載荷與凹槽深度呈負(fù)相關(guān)，破壞吸能與凹槽深度呈正相關(guān)，在工程實(shí)踐中，可通過對接頭形貌特征進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在保證力學(xué)性能的前提下，提升破壞吸能效果.