Steel-CFRP異質(zhì)材料膠結(jié)工藝及接頭性能的仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，隨著汽車產(chǎn)銷量的快速增長(zhǎng)，出現(xiàn)了能耗短缺、過(guò)度排放等一系列能源、環(huán)境問題，為了汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，該領(lǐng)域?qū)π履茉窜囕v的研發(fā)越來(lái)越重視，其中輕量化已成為其關(guān)鍵核心技術(shù)之一。碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、抗腐蝕和可設(shè)計(jì)性好等特點(diǎn)，而備受汽車制造商的關(guān)注。另一方面，目前用高強(qiáng)度鋼板代替普通中、低碳鋼板，通過(guò)減薄厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)的輕量化。上述兩種主流

2、輕量化材料在同一車體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，必然會(huì)帶來(lái)鋼板與CFRP兩種異質(zhì)材料的安全可靠連接問題，這對(duì)提高整體結(jié)構(gòu)性能和服役壽命起著至關(guān)重要的作用。
　　本文針對(duì)Steel/CFRP兩種異質(zhì)材料的連接，基于局部熱沖壓技術(shù)，提出具有附加幾何形貌特征的Steel/CFRP膠結(jié)工藝，將有限元仿真、工藝實(shí)驗(yàn)與拉伸剪切實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究膠結(jié)接頭的不同形貌特征對(duì)其失效載荷、剪切應(yīng)力分布、剝離應(yīng)力分布、斷裂能及工藝實(shí)施穩(wěn)定性的影響規(guī)律及原因，為Steel

3、/CFRP膠結(jié)接頭附加幾何形貌特征分布及尺寸優(yōu)化、工藝控制提供依據(jù)，以改善和提高Steel/CFRP膠結(jié)接頭的力學(xué)性能及承載能力。主要結(jié)論如下：
　　（1）設(shè)計(jì)了平板形、矩形凹槽、弧形凹槽、分布式圓柱形凹坑、分布式球形凹坑5種不同的局部附加幾何形貌特征，基于膠結(jié)基本理論、復(fù)合材料力學(xué)、內(nèi)聚力本構(gòu)方程等理論，利用ABAQUS有限元仿真軟件研究不同附加幾何形貌特征對(duì)接頭性能、承載能力、應(yīng)力分布的影響，得到使接頭性能較好的附加幾何形貌特

4、征及尺寸。
　　（2）失效載荷隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但在粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)最佳有效粘結(jié)長(zhǎng)度后，繼續(xù)增加粘結(jié)長(zhǎng)度，對(duì)接頭性能提高貢獻(xiàn)不大，反而會(huì)使膠結(jié)面積增大、結(jié)構(gòu)重量及工藝復(fù)雜程度增加，難以控制膠層均勻性，易出現(xiàn)氣泡、空隙等缺陷進(jìn)而影響接頭性能。
　?。?）不同附加幾何形貌特征的膠結(jié)接頭，因膠結(jié)件間形成了機(jī)械互鎖作用，使其應(yīng)力分布與平板形有很大的不同；相對(duì)于平板形膠結(jié)接頭而言，帶有矩形凹槽、弧形凹槽、分布式圓柱及球形凹

5、坑的附加幾何形貌的膠結(jié)接頭能夠不同程度地提高接頭的力學(xué)性能，其中分布式球形凹坑對(duì)提高接頭性能最為有利。
　?。?）局部附加幾何形貌特征及其分布對(duì)Steel/CFRP膠結(jié)接頭中應(yīng)力分布、接頭性能、承載能力及斷裂損傷模式影響顯著，存在明顯的回彈及尺寸效應(yīng)，需要進(jìn)一步對(duì)“基于混合熱沖壓的局部變形膠結(jié)工藝”條件、附加幾何形貌特征布局及尺寸進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)提高接頭性能及承載能力。
　　（5）幾種不同形貌特征的Steel/CFRP膠結(jié)接頭承

6、載能力的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果差別顯著，仿真分析不同程度地過(guò)高估計(jì)了接頭的承載能力，且附加幾何形貌特征分布越復(fù)雜，仿真誤差越大；其主要原因是鋼板回彈引起粘結(jié)界面上殘余應(yīng)力重新分布、幾何形貌特征尺寸效應(yīng)及兩者的耦合作用，減少了實(shí)際接觸面積甚至引起脫粘，導(dǎo)致接頭性能下降。
　?。?）“基于混合熱沖壓的局部變形膠結(jié)工藝”，實(shí)現(xiàn)具有局部附加幾何形貌特征的Steel/CFRP膠結(jié)連接，借助鋼板與CFRP預(yù)浸料發(fā)生局部塑性變形形成的機(jī)械互鎖作用、鋼板