鋼板與三維編織碳纖板盲端拉鉚連接靜力學(xué)性能研究

張瑞 張弛 王鏑

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 前言

近年來(lái)，隨著油價(jià)的上漲以及排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，節(jié)能減排逐漸成為消費(fèi)者購(gòu)買汽車時(shí)關(guān)注的重點(diǎn)，各大汽車廠商在設(shè)計(jì)研發(fā)階段也將油耗及排放性能作為重點(diǎn)關(guān)注性能。輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑之一。研究表明，汽車質(zhì)量每減少100 kg，每百公里可節(jié)省燃油0.3～0.5 L，減少CO2排放8～11 g[1]。目前汽車輕量化主要通過(guò)輕量化材料、輕量化結(jié)構(gòu)、輕量化制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)。輕量化材料中碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能及優(yōu)異的減重表現(xiàn)，研究表明，在等剛度或等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則下，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比低碳鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少50%以上[2-3]。在碳纖維復(fù)合材料中，三維編織碳纖復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)層合板，其拉、壓、剪性能普遍高于典型多向?qū)雍习錥4]。目前很少有汽車主機(jī)廠在白車身上運(yùn)用三維編織碳纖復(fù)合材料，針對(duì)三維編織碳纖板及鋼板連接的研究也較少。隨著三維編織碳纖復(fù)合材料制備技術(shù)的日臻成熟及其制備成本的逐年降低，其在白車身上的批量運(yùn)用值得期待。

選取盲端拉鉚釘對(duì)三維編織碳纖復(fù)合材料及鋼板進(jìn)行連接，對(duì)該種連接組合的靜力學(xué)性能進(jìn)行研究。先對(duì)相同試件寬度及連接端距下2 種不同料厚組合的盲端拉鉚連接試件進(jìn)行剪切及十字拉伸靜力學(xué)試驗(yàn)，研究其剪切、剝離力學(xué)性能及失效模式；而后對(duì)同一料厚組合下不同試件寬度及連接端距下的盲端拉鉚連接試件進(jìn)行剪切及十字拉伸靜力學(xué)試驗(yàn)，研究試件寬度及連接端距對(duì)連接的剪切及剝離性能影響。

2 試驗(yàn)

2.1 試件制備

選取三維編織碳纖輪罩項(xiàng)目中碳纖板與鋼板連接處的料厚組合進(jìn)行盲端拉鉚連接研究，共2種料厚連接組合，詳見(jiàn)表1。選取圖1 所示直徑6.4 mm 的同系列（02221 系列）不同夾持厚度的拉鉚釘對(duì)2 種連接組合進(jìn)行連接。2 種連接組合中碳纖板厚度分別為4.5 mm 和6 mm。該2 種料厚的碳纖復(fù)合材料紗線種類、樹脂材料及編織方式均一致，僅織物層數(shù)不一致。碳纖板增強(qiáng)體為三維六向編織，編織結(jié)構(gòu)如圖2 所示，力學(xué)性能如表2 所示，其中，泊松比μ23為0.03。制備碳纖復(fù)合材料料片時(shí)，先采用VARTM 工藝成型出350 mm×350 mm 的碳纖復(fù)合材料板料，而后將碳纖維板料切割成試驗(yàn)所需料片尺寸。

圖1 02221系列拉鉚釘

圖2 碳纖維增強(qiáng)體編織結(jié)構(gòu)

表1 碳纖復(fù)合材料與鋼板連接料片組合

表2 碳纖復(fù)合材料板料力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究三維編織碳纖復(fù)合材料與鋼板盲端拉鉚連接的失效模式以及其剪切和剝離靜力學(xué)性能，對(duì)相同連接幾何參數(shù)（E=15 mm，W=35 mm）下的2 種連接料厚組合試件進(jìn)行剪切及十字拉伸靜力學(xué)試驗(yàn)，剪切及十字拉伸試件連接形式如圖3 所示。由于碳纖復(fù)合材料板料經(jīng)向紗線與緯向紗線密度不同，其在經(jīng)向及緯向的力學(xué)性能不同，將碳纖板料沿經(jīng)向紗線及緯向紗線2 種方向進(jìn)行切割，并對(duì)2 種切割方向的料片連接組合進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)，2 種切割方向的碳纖板如圖4 所示。為研究不同試件寬度W及連接端距E對(duì)連接靜力學(xué)性能的影響，對(duì)料片組合1 在不同連接端距E及板寬W下的連接試件進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn)。分別選取了3 種不同的端距（E為15 mm、20 mm、25 mm）及板寬（W為25 mm、35 mm、45 mm），按照L9正交列表確定剪切試件試驗(yàn)組合，剪切試驗(yàn)樣件列表詳見(jiàn)表3，十字拉伸試件列表詳見(jiàn)表4。文中對(duì)表3及表4中的試件組合在經(jīng)向及緯向2種切割方向的料片均進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 剪切及十字拉伸試樣連接形式

表3 CFRP-Steel拉鉚連接試驗(yàn)試樣

表4 CFRP-Steel拉鉚連接十字拉伸試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)時(shí)采用Z150 拉伸機(jī)（量程為50 kN），對(duì)試件施加載荷直至試件破壞，加載速度為5 mm/min。十字拉伸工裝如圖5 所示，試驗(yàn)裝置如圖6 所示。

圖5 十字拉伸工裝

圖6 試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 相同端距E 及板寬W 下碳纖板和鋼板拉鉚連接靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

相同端距（E=15 mm）及寬度（W=35 mm）下CFRP-steel 拉鉚連接靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示，表中所列最大破壞力值為每組3 個(gè)試樣的平均值。圖7 為靜力學(xué)試驗(yàn)各試件破壞形貌。

圖7 各試件靜力學(xué)試驗(yàn)破壞形貌

表5 相同連端距E及板寬W下盲端拉鉚連接靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

從表5 中可以看出，2 種料厚組合下經(jīng)向料片的靜力學(xué)性能均優(yōu)于緯向料片的靜力學(xué)性能。其中，緯向料片剪切最大破壞載荷約為經(jīng)向料片的90%，緯向料片十字拉伸最大破壞載荷約為經(jīng)向料片的70%。經(jīng)向與緯向料片靜力學(xué)性能差異由碳纖料片增強(qiáng)體經(jīng)向紗線與緯向紗線密度差異導(dǎo)致。

采用02221 系列盲端拉鉚釘連接的碳纖板及鋼板料片剪切及十字拉伸試驗(yàn)的連接失效模式均為碳纖板破壞。由于碳纖板力學(xué)性能呈各向異性，同種試驗(yàn)工況下，不同切割方向碳纖板的破壞模式不同。其中，經(jīng)向料片剪切試驗(yàn)失效模式為剪切和擠壓破壞，緯向料片剪切試驗(yàn)失效模式為擠壓和拉伸破壞。經(jīng)向料片十字拉伸試驗(yàn)失效模式為鉚釘拉脫，緯向料片十字拉伸失效模式為拉伸破壞。從圖7 中可以看出，經(jīng)向料片在剪切試驗(yàn)中鉚釘至端頭處的碳纖基體及碳絲受到明顯擠壓，同時(shí)緯向碳絲有斷裂跡象。緯向剪切試驗(yàn)中，沿力加載方向鉚釘至端頭處的碳纖基體及碳絲沿力加載方向受到擠壓，料片組合1 鉚釘處緯向碳絲有較為明顯的斷裂跡象，裂紋與加載方向垂直，試驗(yàn)過(guò)程中可聽(tīng)到清脆的碳絲斷裂聲音；料片組合2緯向碳絲斷裂跡象不明顯，其失效模式以擠壓為主。經(jīng)向十字拉伸試驗(yàn)中，鉚釘周圍的碳絲局部受到擠壓破壞。緯向十字拉伸試驗(yàn)中鉚釘處緯向碳絲全部斷裂。

3.2 不同端距E 及板寬W 下碳纖板和鋼板盲端拉鉚連接靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 端距E及板寬W對(duì)碳纖板和鋼板盲端拉鉚連接剪切力學(xué)性能影響

圖8 為不同板寬下，盲端拉鉚連接試件剪切試驗(yàn)最大失效力隨端距E的變化曲線。圖9為不同端距E下連接試件最大破壞載荷隨板寬W的變化曲線。表6為不同板寬及端距下，各試件剪切試驗(yàn)破壞形貌。從圖8和圖9中可以看出，碳纖鋼板拉鉚連接剪切最大破壞力值及失效模式受料片端距及板寬影響。

圖8 不同板寬W下最大破壞載荷隨端距E變化曲線

圖9 不同端距E下最大破壞載荷隨板寬W變化曲線

表6 不同板寬W及端距E下各試件破壞形貌

從圖8 中可以看出，對(duì)緯向料片而言，寬度一定時(shí)，隨著端距E增大，各連接組合最大破壞載荷明顯呈上升趨勢(shì)；對(duì)經(jīng)向料片而言，寬度一定時(shí)，隨著端距E增大，各連接組合最大破壞載荷大體呈上升趨勢(shì)。其中，W=45 mm、E=25 mm 時(shí)經(jīng)向連接試件最大破壞載荷較W=45 mm、E=20 mm 時(shí)經(jīng)向試件最大破壞載荷約降低70 N，該力值的輕微降低與樣件破壞模式相關(guān)。料片寬度一定時(shí)，隨著E增大，擠壓面增加從而使得料片連接組合的承載能力增大。

對(duì)經(jīng)向料片而言，當(dāng)樣件板料寬度W一定時(shí)，隨著E增加，3 種邊距的經(jīng)向料片連接組合破壞模式均發(fā)生變化。其中，W為25 mm 和35 mm 的失效模式隨著E的增大，先由碳纖板剪切加擠壓破壞變?yōu)殂T釘拉脫，而后變?yōu)殂T釘斷裂；當(dāng)W為45 mm時(shí)，其失效模式隨著E的增大由碳纖板剪切加擠壓破壞變?yōu)殂T釘斷裂。當(dāng)W為45 mm 時(shí)，料片端距E為20 mm 和25 mm 的樣件失效模式均為鉚釘斷裂，其最大破壞載荷由鉚釘自身承載能力決定，故樣件端距E為20 mm 和25 mm 時(shí)的最大破壞載荷僅有微小差異。

對(duì)緯向料片而言，隨著E增加，W為25 mm 的經(jīng)向料片連接組合破壞模式未發(fā)生變化，僅W為35 mm 和45 mm 的連接組合破壞模式發(fā)生變化。其中，當(dāng)W為25 mm 時(shí)，其失效模式為碳纖板拉伸破壞，由于板寬較小，沿加載方向承力的緯向紗較少，同時(shí)緯向紗本身密度較小、承力能力弱，從而導(dǎo)致碳纖板在出現(xiàn)擠壓破壞前已出現(xiàn)拉伸破壞導(dǎo)致連接失效；當(dāng)W為35 mm 時(shí)，緯向料片連接組合破壞模式為拉伸+擠壓破壞，此寬度下碳纖板緯向紗沿力加載方向斷裂，同時(shí)擠壓面處的經(jīng)向紗受到擠壓破壞；當(dāng)W為45 mm 時(shí)，隨著E增加，緯向料片連接組合破壞模式由拉伸+擠壓破壞變?yōu)槔撈茐?，?dāng)E為25 mm 時(shí)，由于W為45 mm，試樣較寬，沿力加載方向的緯向紗增多，碳纖板緯向承力結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，從而使得碳纖板未沿力加載方向出現(xiàn)拉伸破壞，同時(shí)，由于E較大，擠壓面增加，從而使得碳纖板不易沿力加載方向受擠壓破壞。

從圖9 中可以看出，對(duì)經(jīng)向料片而言，當(dāng)端距E一定時(shí)，隨著板寬W的增加，其最大破壞載荷有變化但無(wú)明顯變化規(guī)律，相同端距E、不同板寬W下的最大破壞載荷力值相差不大。當(dāng)E為15 mm時(shí)，經(jīng)向料片連接失效模式為碳纖板破壞，而碳纖板為緯向絲受破壞而失效，緯向絲承力能力主要由E值決定，由于E值均為15 mm，故各板寬下的連接組合最大失效力值接近。當(dāng)E為20 mm 和25 mm時(shí)，各板寬W下經(jīng)向料片連接的失效模式為鉚釘拉脫和鉚釘斷裂，鉚釘斷裂破壞下各連接組合的最大失效力值接近，鉚釘拉脫的最大失效力值較鉚釘斷裂的最大失效力值略低。

對(duì)緯向料片而言，E值一定時(shí)，隨著板寬W的增加，最大破壞載荷呈增大趨勢(shì)。緯向料片拉伸時(shí)，隨著板寬W增加，緯向料片拉伸凈面積增加，可承力的緯向碳絲增加，故緯向最大破壞載荷增加。

3.2.2 板寬W對(duì)碳纖板和鋼板盲端拉鉚連接十字拉伸力學(xué)性能影響

圖10 為十字拉伸最大破壞載荷隨板寬W的變化曲線，表7 為不同板寬W下連接組合試件十字拉伸試驗(yàn)破壞形貌。從圖10 中可以看出，隨著W增加，經(jīng)向及緯向料片十字拉伸最大破壞載荷均增大。隨著料片W增加，拉伸凈截面積增大，碳纖板承力能力提高，故最大破壞載荷增大。

圖10 最大破壞載荷隨W變化曲線

表7 不同試件破壞形貌

從表7 中可以看出，對(duì)經(jīng)向料片而言，隨著碳纖板W增加，連接試件十字拉伸失效模式由拉伸破壞變?yōu)槔撈茐摹．?dāng)W為25 mm 時(shí)，由于板寬較小，經(jīng)向碳絲數(shù)量較少，其承力能力較大板寬碳纖板弱，故加載過(guò)程中碳纖板經(jīng)向碳絲受拉斷裂，同時(shí)，由于加載時(shí)主要為經(jīng)向絲承力，其承力能力較緯向絲強(qiáng)，故在加載力大至足以使鉚釘周圍碳絲沿力加載方向擠出時(shí)經(jīng)向絲方才斷裂。對(duì)緯向料片而言，隨著碳纖板W增加，連接試件十字拉伸失效模式未發(fā)生變化，其失效模式均為碳纖板拉伸破壞，在鉚釘周圍未觀察到碳纖維擠出。由于緯向料片加載過(guò)程中主要為緯向紗承力，緯向紗密度較小，其承力能力較弱，故加載過(guò)程中緯向紗斷裂失效，同時(shí)，緯向紗斷裂時(shí)的加載力不足以使碳絲擠出，從而未觀測(cè)到碳纖維擠出。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)相同板寬W及端距E下2 種不同料厚組合的鋼板與三維編織碳纖復(fù)合材料拉鉚連接試件以及同一料厚組合在不同板寬W及端距E下的拉鉚連接組合進(jìn)行了剪切及十字拉伸靜力學(xué)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a. 采用拉鉚釘接可對(duì)鋼板與三維編織碳纖板進(jìn)行有效連接；

b. 采用文中所示鉚釘對(duì)三維編織碳纖復(fù)合材料與鋼板進(jìn)行連接時(shí)，剪切及十字拉伸靜力學(xué)試驗(yàn)工況下除拉鉚釘斷裂及拉脫外均為碳纖板破壞從而導(dǎo)致連接失效；

c. 由于碳纖維力學(xué)性能呈各項(xiàng)異性，不同碳纖板切割方向連接組合的失效模式及連接最大破壞載荷均不同；

d. 連接組合的端距E及樣板寬W對(duì)連接的失效模式及最大破壞載荷均有影響。