玻纤增强复合材料单搭接胶接接头强度研究

发布时间：2020-11-10 00:16

　　 近年来,用于汽车车身的材料种类越来越多,从传统的金属到塑料再到现在的新型复合材料,材料的多样性赋予汽车设计更多的空间,但因为不同材料之间的组分不同造成其力学性能等方面也各不相同,同时,随着模块化、一体成型等工艺日渐成熟,汽车零件和紧固件数量大大降低,部件之间通常需要安排的一些接口,并通过各种连接技术实现连接。因此,使同种或者异种材料的连接方式得到了更加严峻的挑战。传统的连接技术,如焊接、铆接和螺栓等在实际工程中容易出现应力集中等缺点,因此,粘胶连接因运而生,因具有光滑的气动外形和消除用力集中等特点在异种材料连接中占有重要地位。本文就玻纤增强复合材料在汽车连接中的应用,针对粘胶连接,采用三维损伤退化及失效理论,利用有限元软件ABAQUS,对单搭接胶接连接的不同几何参数进行了参数化建模,研究了各几何参数对胶接接头连接强度的影响。具体内容如下:1.对粘胶的连接机理、工艺流程进行了研究分析,并对粘胶接头的类型以及失效形式进行了介绍,保证了胶接接头的正确使用和最佳的工艺数据,为预测接头强度建立了理论基础。2.进行了玻纤增强复合材料的拉伸试验,得到了样件的应力应变曲线和材料的基本参数,基于复合材料结构理论、Hashin失效准则和刚度退化理论,针对复合材料的失效形式,如纤维拉伸(压缩)失效、基体拉伸(压缩)开裂、基纤剪切等,提出一种新的基于材料参数的映射方法,得到复合材料的等效性能。3.建立复合材料胶接连接三维模型,以内聚力单元模拟胶层单元,基于二次应力准则对应的损伤起始判据对胶层单元进行损伤起始判别,最后结合损伤演化规律求出胶接结构强度,将仿真分析结果与实验结果对比,验证了分析模型的准确性。再用相同的分析方法研究不同因素对胶接接头强度的影响,结果表明:(1)当复合材料胶接接头两段刚度对称时,胶接接头的强度随着胶层厚度、搭接长度及宽度的增加呈加强趋势,因为这些因素都直接或者间接地影响到了接头的粘接面积,而且当单独增加胶层厚度或者搭接长度的时候,胶层厚度使得失效载荷的增幅的增加比增加搭接长度使失效载荷的增幅大,即增加胶层厚度提高接头强度效果更加显著。但实际应用中应合理选择胶层参数以免缺陷的产生。(2)当胶接接头两端刚度不对称时,胶接接头的强度由屈服强度相对较弱一端的母材决定,在复合材料需要和其他材料连接时,可考虑增加被连接材料的刚度来提升接头的强度,但由于刚度差异太大可能增加胶层失效的危险,因此在满足连接要求的前提下,应使接头两端母材的刚度尽量接近。4.研究了各几何参数对接头连接强度的影响程度,采用田口实验设计方法筛选了最少的实验次数,并通过性噪比分析得到各几何参数对接头连接强度的影响程度和趋势。根据分析结果表明:各几何参数对胶接接头力学性能影响程度由大到小最大的参数依次为胶层厚度、胶层宽度、搭接长度。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U465.6
【部分图文】：

料的连接成为评判连接方法优劣的重要评判标准。（3）有效降低应力集中现象，从而延长接头的使用期限，同时由于应力分布均匀，使得胶层中裂纹扩展较慢。图2.2和图2.3分别展示了胶接连接与传统连接在应力集中和疲劳性能中的表现。图2.2 胶接与点焊连接的接头应力分布对比图图2.3 不同接头的动态疲劳特性（4）光滑的接头表面使得车身具有较好的气动性能，提升汽车的整体性能。（5）由于不使用铆钉、螺栓从而简化了结构，同时由于胶接件受力较均匀，因此可增大薄壁件的使用，模块化更容易实现，在汽车车身轻量化上有极高的价值。（6）胶接技术工艺要求相对简单，操作更容易，易于实现自动化、模块化，降低制造和维修的成本。同时与大部分传统连接技术都能兼容。在保证车身刚度的前提下减少焊点数量。

料的连接成为评判连接方法优劣的重要评判标准。（3）有效降低应力集中现象，从而延长接头的使用期限，同时由于应力分布均匀，使得胶层中裂纹扩展较慢。图2.2和图2.3分别展示了胶接连接与传统连接在应力集中和疲劳性能中的表现。图2.2 胶接与点焊连接的接头应力分布对比图图2.3 不同接头的动态疲劳特性（4）光滑的接头表面使得车身具有较好的气动性能，提升汽车的整体性能。（5）由于不使用铆钉、螺栓从而简化了结构，同时由于胶接件受力较均匀，因此可增大薄壁件的使用，模块化更容易实现，在汽车车身轻量化上有极高的价值。（6）胶接技术工艺要求相对简单，操作更容易，易于实现自动化、模块化，降低制造和维修的成本。同时与大部分传统连接技术都能兼容。在保证车身刚度的前提下减少焊点数量。

硕士学位论文9图2.4 胶接连接对白车身扭转刚度的影响目前，几大领先的车企已经开始尝试使用大面积胶接连接技术，如克莱斯勒S型轿车使用了超过10m的结构胶，新Audi A6L的车身和Land Rover的前保险杠及尾翼处都大量使用了胶接连接。相信胶接连接在汽车工业中的运用将会愈来愈成功。（a）粘胶连接在车身地板上的应用 （b）粘接连接在B柱上的应用图2.5 结构胶在汽车上的应用当然，胶接技术也存在不足：1.由于粘胶剂的组成成分，连接强度远低于金属材料；2.使用环境的限制，耐高温性较差，耐高温胶粘剂还有待深入研究；3.连接材料的范围没有传统连接方式的广泛。以上缺陷，在一定程度上限制了胶接连接的应用范围。综上所述，我们在胶接技术的使用中应尽量扬长避短，完善经验，丰富理论，为胶接连接技术在汽车工业中的广泛应用开辟更广阔的道路。2.2 胶接连接的基本理论胶接是主要靠胶粘剂的粘附作用将被粘物连接在一起
【参考文献】

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本文编号：2877170