CFRP和AA6061鋁合金異質(zhì)疊層板自沖鉚過程分析

陳中傲,黃曉明,蘇 洲,王志勇

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,山東 濱州 256603)

0 引言

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的各向異性材料。復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比,具有質(zhì)量輕、比模量高、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空、航天、汽車、電子等領(lǐng)域[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),A350和B787等大型飛機(jī)的復(fù)合材料用量均超過了50%[3]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)作為一種主要航空用復(fù)合材料,已廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。在飛機(jī)裝配中,CFRP結(jié)構(gòu)件需要與金屬板材進(jìn)行連接。航空鋁合金作為航空工業(yè)三大合金之首,具有比強(qiáng)度高、延展性好、耐腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。航空鋁合金包括2系(2024、2A12等)、6系(6061、6082等)、7系(7050、7075等)等系列鋁材,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮、機(jī)身框架等結(jié)構(gòu)件中[6]。

CFRP和鋁合金的連接屬于異質(zhì)材料連接,不同材料間力學(xué)性能的巨大差異使得異質(zhì)板連接成為工程應(yīng)用中的難點(diǎn)[7]。自沖鉚接(SPR)作為一種新輕型薄板連接工藝,可通過鉚釘將多層不同材料的板材穿透進(jìn)行連接。自沖鉚接無須進(jìn)行預(yù)鉆孔,在連接過程中不會(huì)向材料傳遞熱量,接頭連接性能及抗疲勞性能更為優(yōu)秀,在工程應(yīng)用中有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[8-9],因此引起學(xué)者對(duì)該技術(shù)的廣泛關(guān)注。張杰等[10]基于CFRP和AA5052鋁合金板的自沖鉚接接頭進(jìn)行了多種組合方式的拉伸剪切實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)應(yīng)采用CFRP為上板,AA5052鋁合金板為下板的搭接方式,其失效形式是CFRP纖維斷裂以及層間開裂,并且上板厚度越大,失效載荷以及能量吸收值越大。Meschut等[11]采用沖孔試驗(yàn)評(píng)估了自沖鉚過程中CFRP損傷程度,研究表明CFRP主要發(fā)生分層損傷,彎曲剛度降低,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早失效。Liu等[12]建立了二維軸對(duì)稱模型,系統(tǒng)地研究了鉚接影響因素對(duì)鋁合金自沖鉚成形質(zhì)量的影響,研究表明鉚釘腳張開半徑隨模具直徑和凸臺(tái)高度的增加而增大,隨模具深度的增加而減小。Liu等[13]研究了CFRP與鋁合金自沖鉚接頭的連接及損傷機(jī)理,提出了考慮剪切效應(yīng)的復(fù)合材料損傷本構(gòu)模型,研究表明其本構(gòu)模型可以預(yù)測CFRP在大變形作用下的復(fù)雜損傷行為。

目前不同學(xué)者針對(duì)CFRP和鋁合金異質(zhì)疊層板自沖鉚工藝進(jìn)行了大量研究,但主要集中于鉚接質(zhì)量與接頭破壞形式[14],對(duì)不同厚度CFRP和不同厚度鋁合金疊層板自沖鉚差異研究尚不完善,缺乏CFRP和AA6061鋁合金(CFRP/AA6061)自沖鉚過程分析。本文通過不同厚度CFRP和AA6061鋁合金組合的自沖鉚試驗(yàn),定量分析鉚接質(zhì)量,確定最優(yōu)厚度組合,基于CFRP損傷失效模型,對(duì)鉚接過程中CFRP和AA6061鋁合金的損傷變形情況進(jìn)行有限元模擬,分析自沖鉚接頭形貌、層間狀態(tài)及鉚接力等。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1為自沖鉚接件示意圖。圖1(a)為鉚釘及模具示意圖,半空心鉚釘?shù)陌霃綖?.65 mm、長度為6 mm,鉚釘材質(zhì)為2A10鋁合金。采用圖1(b)所示搭接方式,CFRP為上板,AA6061鋁合金為下板[10],試件長寬尺寸規(guī)格為120 mm×25 mm。

圖1 自沖鉚接件示意圖

自沖鉚試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示,其中搭接件總厚度為4 mm,選用不同厚度CFRP和不同厚度AA6061鋁合金進(jìn)行組合。鋁合金試件厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm;CFRP厚度由預(yù)制過程中的鋪層數(shù)決定,CFRP鋪層數(shù)3、6、9分別對(duì)應(yīng)厚度1 mm、2 mm、3 mm。

表1 不同厚度CFRP/AA6061組合方式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用YTR-50T四柱液壓機(jī)作為自沖鉚接工具,根據(jù)鉚釘高度設(shè)置沖頭行程為6 mm,保持1 mm/s勻速下壓。為觀測鉚接接頭結(jié)構(gòu)及鉚接質(zhì)量,沿子午線對(duì)接頭進(jìn)行打磨拋光,侵蝕劑選用Keller試劑(氫氟酸1.0 mL、鹽酸1.5 mL、硝酸2.5 mL、水95.0 mL),侵蝕15 s后用溫水清洗,利用CX-H4800光學(xué)顯微鏡觀察接頭截面。

2 有限元模型

2.1 建模過程

有限元模型中,模型設(shè)置與試驗(yàn)設(shè)置相一致。CFRP采用六層平紋編織鋪層板,利用CATIA數(shù)值軟件進(jìn)行幾何建模。

自沖鉚過程中,沖頭及模具設(shè)置為剛體,金屬定義為各向同性材料屬性,鉚釘和鋁合金板的材料屬性如表2所示。沖頭與鉚釘之間的連接設(shè)定為固接。接觸為面-面接觸算法,鉚釘與CFRP、鋁合金板之間接觸定義為罰函數(shù),系數(shù)取0.2。CFRP和鋁合金板約束方式為側(cè)邊全固定,模具為全固定,沖頭保留自由度U3,添加位移載荷,幅值為6.00 mm。對(duì)于鉚接過程中大應(yīng)變網(wǎng)格扭曲模擬,單元類型設(shè)置為線性減縮積分單元C3D8R,自沖鉚釘及鋁合金板的全局網(wǎng)格尺寸均為0.15 mm,CFRP全局網(wǎng)格尺寸為0.10 mm。

表2 鉚釘及鋁合金材料屬性

2.2 材料模型

有限元模型數(shù)值計(jì)算過程中,CFRP和AA6061鋁合金分別采用失效模型和Johnson-Cook本構(gòu)模型,利用VUMAT子程序在有限元中定義材料失效和本構(gòu)模型。

2A10鋁合金是航空航天常用的鉚釘材料之一,屬于Al-Cu系硬鋁合金,通常經(jīng)過淬火時(shí)效處理,屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于AA6061鋁合金。AA6061鋁合金為飛機(jī)蒙皮常用材料,自沖鉚過程中塑性力學(xué)特性采用Johnson-Cook模型[15]。

CFRP是典型各向異性材料,力學(xué)性能參數(shù)如表3表示,依據(jù)Hashin理論[16-17],建立CFRP本構(gòu)模型如下式所示(下標(biāo)1,2,3分別代表X,Y,Z方向)。

表3 復(fù)合材料力學(xué)參數(shù)

式中:Ei(i=1,2,3)為各方向彈性模量,Gij(i,j=1,2,3)為剪切模量,vij為泊松比,εij為各方向應(yīng)變分量,算子

根據(jù)失效準(zhǔn)則定義CFRP單元的損傷和失效,需要分別定義基體和纖維的損傷失效模型?；w拉伸損傷:

基體壓縮損傷:

纖維拉伸損傷:

纖維壓縮損傷:

式中:S12、S13、S23為1、2、3方向上的剪切強(qiáng)度,X1t、X1c、X2t、X2c為1、2方向上的拉伸和壓縮強(qiáng)度,σ11、σ22、σ33為正應(yīng)力,τ12、τ13、τ23為切應(yīng)力。對(duì)于CFRP沖壓斷裂過程,通過應(yīng)力應(yīng)變判斷材料是否發(fā)生損傷,依據(jù)損傷狀態(tài),并更新計(jì)算應(yīng)力,最后根據(jù)失效判據(jù)決定是否失效斷裂或更新應(yīng)力應(yīng)變。

3 結(jié)果與分析

3.1 自沖鉚接頭形貌

圖2 自沖鉚接頭形貌

3.2 CFRP和AA6061鋁合金接頭截面分析

圖3為CFRP(2 mm)和AA6061鋁合金(2 mm)SPR鉚接后接頭的截面形貌。從圖中可以看出,AA6061鋁合金板材在模具作用下成型,鉚釘與板材形成互鎖結(jié)構(gòu);CFRP內(nèi)部纖維有明顯的斷裂、擠壓損傷,沿厚度方向損傷程度加劇。這是由于在鉚接過程中,鉚釘對(duì)CFRP產(chǎn)生剛性沖擊和擠壓,導(dǎo)致CFRP被壓碎。

圖3 自沖鉚接頭截面

為觀測CFRP內(nèi)部纖維變形與損傷情況,選取接頭截面處釘頭與CFRP擠壓區(qū)R1、鉚釘內(nèi)腔區(qū)域R2和釘腳區(qū)域R3作為觀察對(duì)象。R1區(qū)域,CFRP中的纖維因鉚釘頭部擠壓,沿鉚釘曲線產(chǎn)生彎曲變形,造成內(nèi)部纖維斷裂。R2區(qū)域,由于鉚釘腔中空結(jié)構(gòu)和模具凸臺(tái)作用,CFRP內(nèi)部纖維呈現(xiàn)出倒“U”型斷裂。R3區(qū)域,在釘腳擠壓作用下,纖維的壓碎與斷裂情況最為嚴(yán)重,同時(shí)CFRP斷裂的纖維碎片進(jìn)一步擠壓鋁合金板,導(dǎo)致鋁合金剩余厚度減小。

自沖鉚后的鉚接質(zhì)量通常用鉚接質(zhì)量參數(shù)殘余底厚、互鎖長度和鉚釘開口量定量表達(dá)[18]。殘余底厚大,代表鉚釘?shù)拇倘肷疃仍诎踩秶鷥?nèi),保證接頭的外觀、密封性和耐腐蝕性?；ユi長度和鉚釘開口量表明鉚釘?shù)耐纫淹耆蜷_,鉚釘與鋁合金板形成內(nèi)部互鎖結(jié)構(gòu)。

從圖3(a)可以看出,對(duì)于厚度分別為2.00 mm的CFRP和AA6061鋁合金的自沖鉚接頭,接頭殘余厚度為0.72 mm,互鎖長度為0.36 mm,鉚釘開口量為0.73 mm。接頭的鉚釘互鎖長度和殘余底厚均大于0.30 mm,表明接頭已形成有效鑲嵌互鎖結(jié)構(gòu)。鉚接前,鋁合金板初始厚度為2.00 mm,由于鋁合金受到模具及CFRP擠壓作用,鋁合金板與模具凸臺(tái)形成緊密貼合,鉚釘腔下方區(qū)域的鋁合金板厚度減薄為0.33 mm。

圖4為自沖鉚過程中內(nèi)部變形過程及應(yīng)力分布情況,設(shè)定沖頭位移為H。沖頭位移為0.25H時(shí),板材已固定,鉚釘刺入CFRP,釘腳下方區(qū)域的CFRP受壓凹陷。應(yīng)力集中在上表面鋪層內(nèi)同時(shí)沿CFRP厚度方向貫穿釘腳下側(cè)區(qū)域,鉚釘腳尖區(qū)域因與上板接觸存在應(yīng)力集中;此外,鋁板在模具凸臺(tái)的作用下不斷發(fā)生擠壓變形,鋁合金板向下變形0.71 mm。沖頭位移為0.5H時(shí),釘腳未穿透CFRP,鉚釘腔區(qū)域下側(cè)的鋁合金厚度變薄。鉚釘腔內(nèi)部CFRP纖維逐漸彎曲呈倒“U”型,下板鋁合金沿模具形狀發(fā)生變形,整體呈“W”形,鋁合金形變量增加至1.37 mm。隨沖頭位移至0.75H,鉚釘刺穿CFRP,釘腳刺入鋁合金并逐漸張開,下板鋁合金填充至模具底部開始向外擴(kuò)充。釘腳尖區(qū)域進(jìn)入鋁合金板產(chǎn)生應(yīng)力集中,該階段的應(yīng)力主要分布在鉚釘腳區(qū)域和鋁合金板變形區(qū)域。

圖4 自沖鉚過程應(yīng)力云圖

圖4(d)為鉚接結(jié)束后狀態(tài),鋁合金沿模具底板向外擴(kuò)充至1.36 mm,鉚釘開口量為0.68 mm,互鎖長度為0.39 mm,鉚釘與板材形成有效鑲嵌互鎖結(jié)構(gòu)。鉚釘孔外側(cè)區(qū)域CFRP受釘頭作用向下彎曲變形與釘頭緊密貼合。鉚接完成時(shí),釘腳尖與AA6061鋁合金之間的最大擠壓應(yīng)力為2910 MPa。

由圖3(a)和圖4(d)可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬獲取的接頭截面具有一致性。表4為自沖鉚接頭截面幾何參數(shù),試驗(yàn)與有限元模擬截面尺寸相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi),因此有限元模型可以有效模擬CFRP和AA6061鋁合金自沖鉚過程。

表4 接頭截面幾何參數(shù)

3.3 CFRP和AA6061鋁合金層間狀態(tài)

根據(jù)沖頭位移,分別選取CFRP的上表面鋪層1、下表面鋪層6探究鉚釘刺入及穿透損傷效果,選取鋪層4探究CFRP內(nèi)部層間損傷狀態(tài),選取鋁合金上表面探究鋁合金變形情況。鉚接過程CFRP層間與鋁合金應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 CFRP層間與鋁合金應(yīng)力云圖

沖頭位移為0.25H時(shí),鉚釘逐漸刺入CFRP但并未穿透鋪層1。此時(shí)釘腳與CFRP發(fā)生接觸,各鋪層內(nèi)已產(chǎn)生應(yīng)力,且應(yīng)力在鋪層內(nèi)呈圓環(huán)狀分布;鋁合金板應(yīng)力主要分布在沿模具變形部位。沖頭位移為0.50H時(shí),鋪層4處纖維未完全斷裂,且未斷裂纖維處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。沖頭位移為0.75H時(shí),鉚釘穿透CFRP,進(jìn)入鋁合金開始向外擴(kuò)張,鋁合金板應(yīng)力主要分布在與鉚釘擠壓區(qū)域。

鉚接完成后,在擠壓作用下,釘頭下方弧形區(qū)域和鉚釘內(nèi)腔區(qū)域內(nèi)的CFRP與鋁合金表面緊密貼合,導(dǎo)致鉚釘孔內(nèi)外圍區(qū)域CFRP鋪層內(nèi)仍保留有部分殘余應(yīng)力。

3.4 鉚接力分析

圖6為鉚接力隨位移變換曲線。由圖4可知,自沖鉚成形過程可分為三個(gè)階段:(1)壓緊階段,固定物料;(2)刺穿階段,鉚釘刺入上板;(3)成形階段,鉚釘刺穿上板,部分刺入下板并與下板形成有效互鎖結(jié)構(gòu)。

圖6 鉚接力-位移曲線

壓緊階段前,由于鉚釘、模具與板材之間存在較小間隙,壓緊階段消除各部分之間的間隙,此階段鉚釘向下位移0.32 mm,鉚接力迅速增加后回落,CFRP和AA6061鋁合金異質(zhì)板壓實(shí)。

當(dāng)鉚釘下移至4.90 mm時(shí),鉚釘逐漸穿透CFRP,該階段為CFRP刺穿階段,如圖4(c)所示。在該階段,隨著鉚釘下移CFRP斷裂失效,鋁合金板同時(shí)產(chǎn)生大應(yīng)變率塑性變形。鉚接力緩慢線性增加,該階段鉚接力從壓緊時(shí)的3.1 kN增加至6.7 kN,鉚接力上升斜率為0.78 kN/mm。

進(jìn)入成形階段,受模具幾何構(gòu)形影響,鉚釘腳由向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為向下與外擴(kuò)組合變形,直至鉚釘腳部完全張開,如圖4(d)所示。該階段,鋁合金下板與模具之間的接觸面積逐漸增大并貼合,并伴隨劇烈的塑性變形,受此影響,鉚釘阻力急劇增大。當(dāng)鉚釘下移6.00 mm時(shí),自沖鉚接過程結(jié)束,鉚接力最大峰值為19.6 kN。該階段鉚接力上升斜率為11.7 kN/mm。

4 結(jié)論

(1)CFRP(2 mm)和AA6061鋁合金(2 mm)組合進(jìn)行自沖鉚工作,接頭表面成形質(zhì)量最佳,接頭殘余厚度為0.72 mm,互鎖長度為0.36 mm,鉚釘開口量為0.73 mm,形成有效鑲嵌互鎖結(jié)構(gòu)。

(2)自沖鉚后,CFRP內(nèi)部纖維呈現(xiàn)出倒“U”型斷裂,釘腳尖與鋁合金處最大擠壓應(yīng)力為2910 MPa,殘余應(yīng)力主要分布在鉚釘孔內(nèi)外側(cè)的CFRP區(qū)域內(nèi)。

(3)鉚接過程分為壓緊階段,刺穿階段和成形階段,鉚接力大小主要由鉚釘擴(kuò)張成形狀態(tài)決定,鉚接力峰值載荷為19.6 kN。