碳纖維復(fù)合材料鉚膠連接強(qiáng)度研究

　　摘要：近年來，我國的工業(yè)化進(jìn)程有了很大進(jìn)展，對碳纖維技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。采用有限元分析比較了碳纖維復(fù)合材料層合板之間鉚膠連接的主要承力方式，并對鉚膠連接方式做了靜力拉伸試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)。本文首先分析了結(jié)構(gòu)膠連接技術(shù)概述，其次探討了鉚膠連接破壞形式分析，然后研究了提高鉚接強(qiáng)度的方法，最后就膠層應(yīng)力進(jìn)行分析，以供參考。

　　關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;鉚膠連接;拉剪強(qiáng)度

　　引言

　　鉚接在鈑金連接結(jié)構(gòu)中比較常用，然而由于鉚接的抗剪切強(qiáng)度較低，往往通過增加鉚釘數(shù)量來增加強(qiáng)度，但是當(dāng)由于空間限制或其它原因鉚釘數(shù)量不能增加還要滿足強(qiáng)度要求時如何處理，本文通過工藝試驗(yàn)證明使用復(fù)合(鉚接+粘接)連接方式可大大提高連接強(qiáng)度，解決鈑金連接的強(qiáng)度不足的問題。

　　1結(jié)構(gòu)膠連接技術(shù)概述

　　膠接技術(shù)是一門古老的連接技術(shù)，早在戰(zhàn)國時期就己經(jīng)開始得到應(yīng)用，它是通過膠粘劑把若干物體通過化學(xué)或物理作用固定在一起的連接技術(shù)。(1)良好的異種材料連接性。隨著車用材料的多樣化，由于大部分材料在物理、化學(xué)性能上存在巨大差異，導(dǎo)致其他傳統(tǒng)連接方式(如電阻焊接)無法有效的進(jìn)行混合材料的連接，而結(jié)構(gòu)膠不僅可以有效地實(shí)現(xiàn)其他連接方式無法進(jìn)行的連接，還能在其他連接方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固連接。(2)與其他連接方式相比，如焊接、螺紋連接等，減少了因開孔或受熱變形而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，由于結(jié)構(gòu)膠連接面積大，且為面與面的接觸，一定程度上減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布更為均勻，疲勞性能也更好，完全可以滿足汽車車身異種材料的連接要求。(3)由于結(jié)構(gòu)膠為非金屬材料，不具備導(dǎo)電性，因此一定程度上隔絕了金屬材料與金屬材料的接觸，避免了形成放電回路，從而減少了材料間的電化學(xué)腐蝕。同時，由于結(jié)構(gòu)膠接頭為完全密封的結(jié)構(gòu)，阻隔了腐蝕氣體與水分的進(jìn)入，提高了接頭的耐腐蝕性能。(4)相較于機(jī)械連接接頭，粘接接頭擁有更輕的質(zhì)量。由于不使用螺栓、鉚釘?shù)容^重的金屬零件而減輕了接頭的質(zhì)量，十分有利于車身輕量化。(5)工藝簡單，與其他連接技術(shù)具有良好的兼容性。與其他連接混合使用可明顯的增強(qiáng)接頭的韌性及強(qiáng)度。

　　2鉚膠連接破壞形式分析

　　鉚膠連接屬于混合連接方式，即鉚接連接與膠接連接。鉚接連接方式屬于機(jī)械連接，膠接連接方式屬于二次膠接連接。鉚膠連接可能存在膠層破壞與鉚釘破壞兩種形式，由于不確定此混合連接的破壞形式，因此采用Hypermesh軟件分別建立開孔膠接連接與鉚接連接兩種模型，對兩種模型分別分析后，選擇承力較高的一種作為鉚膠混合連接的模型。為驗(yàn)證有限元分析的有效性，采用層合板-層合板試驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行鉚接連接拉剪試驗(yàn)。鉚接試驗(yàn)失效模式均為釘頭剪切破壞，發(fā)生破壞時失效極限載荷為7.7kN左右，與有限元分析結(jié)果有差異。從有限元分析受力情況來看，鉚接破壞最大受力點(diǎn)在鉚釘芯，拉剪時表現(xiàn)為釘頭剪切破壞，與實(shí)際試驗(yàn)破壞形式相符。開孔膠接模型能承受的最大拉力為13440N左右，約為鉚接連接的一倍，可以認(rèn)為在鉚膠連接中，主要承力單位為膠接連接。在拉力達(dá)到膠層破壞臨界值時，鉚釘無法承受此拉力而瞬間破壞，因此可以認(rèn)為在鉚膠連接中，鉚釘幾乎不起受力作用。由分析模型中可以看出，連接結(jié)構(gòu)在拉剪過程中，承力部位較大的位置為連接片邊緣位置，可以認(rèn)為中心空洞對其拉剪應(yīng)力影響不大。為驗(yàn)證有限元分析的有效性，采用層合板-層合板試驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行開孔膠接連接拉剪試驗(yàn)。通過對鉚接連接與開孔膠接連接對比，發(fā)現(xiàn)開孔膠接連接的失效極限載荷大于鉚接連接的失效極限載荷，因此認(rèn)為在鉚膠混合連接中，開孔膠接連接為主要承力連接，推測鉚膠混合連接強(qiáng)度應(yīng)與開孔膠接連接強(qiáng)度一致。

　　3提高鉚接強(qiáng)度的方法

　　由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得CFRP鉚接接頭的失效模式主要為擠壓-拉脫混合失效，兩種失效模式的成因均為鉚釘與釘孔之間應(yīng)力過大，表現(xiàn)為釘孔的部分或全部材料發(fā)生破壞。因此可以考慮從緩解鉚釘對釘孔的擠壓角度減小釘孔的破壞，延緩擠壓失效與拉脫失效兩種失效模式的發(fā)生，進(jìn)而提升鉚接接頭的性能。根據(jù)抽芯鉚釘?shù)你T接原理，施鉚后釘尾逐漸脹大，鉚釘外壁主要與釘尾一側(cè)的釘孔接觸，因此考慮使用金屬平墊圈限制釘尾脹大部分對于鉚釘孔的擠壓作用，同時又可以增大釘尾與鉚釘孔周的接觸面積，有效防止拉脫失效的發(fā)生。欲限制釘尾的脹大作用對釘孔的擠壓，需要墊圈內(nèi)徑介于鉚釘孔的內(nèi)徑與施鉚前的鉚釘外徑之間。墊圈增加了鉚釘與釘孔間的接觸面積，可有效預(yù)防拉脫失效的發(fā)生。這說明帶墊圈的CFRP鉚接接頭在失效前已完全發(fā)揮了CFRP的性能，在此種失效模式下欲提升接頭性能，需考慮提高鉚釘孔周的強(qiáng)度和制造質(zhì)量。有墊圈與無墊圈的接頭在彈性階段兩者剛度基本一致，墊圈稍稍延緩了初始失效的發(fā)生，而有墊圈的鉚接接頭由于墊圈限制了鉚釘?shù)睦摚瑑H僅發(fā)生擠壓失效不足以對接頭承載能力造成嚴(yán)重影響。隨著位移的增加，直到擠壓失效區(qū)域擴(kuò)展至試樣端部，接頭完全失效。由此可得：在釘尾端增加平墊片，可以有效防止鉚接接頭發(fā)生拉脫失效，將失效模式限制為擠壓失效，從而大幅提升接頭強(qiáng)度，同時也大幅增加了失效后的位移，提升了結(jié)構(gòu)失效時的能量吸收能力。

　　4膠層應(yīng)力分析

　　為探究鋼/鋁單搭接接頭膠層發(fā)生失效的原因和過程，下面將對鋼/鋁異種材料的結(jié)構(gòu)膠連接接頭處的應(yīng)力進(jìn)行分析討論，首先在膠接接頭上建立局部坐標(biāo)系。使用hyperview軟件進(jìn)行單搭接接頭試驗(yàn)的有限元仿真后處理。由于試件在膠層寬度方向呈對稱結(jié)構(gòu)，因此主要研究單搭接接頭在膠層長度方)的應(yīng)力分布，在搭接寬度方向中心位置，沿搭接長度方向依次取各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。力。在膠層中間位置剝離應(yīng)力為負(fù)值，主要原因是膠層邊緣的用力集中導(dǎo)致接頭產(chǎn)生彎曲變形，在膠層邊緣形成一個支點(diǎn)，根據(jù)受力平衡原理，導(dǎo)致膠層中心產(chǎn)生了負(fù)剝離應(yīng)力。膠層中間位置的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)高于膠層邊緣處的應(yīng)力值。通過對比膠層的剝離應(yīng)力和剪切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)剝離應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于剪切應(yīng)力峰值，且剝離應(yīng)力峰值接近結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度極限，根據(jù)式的二次名義應(yīng)力準(zhǔn)則可知，剝離應(yīng)力上升到峰值時，膠層邊緣的內(nèi)聚力單元逐漸開始軟化，隨后隨著拉伸位移的增加，斷裂能量達(dá)到臨界值，此時接頭的拉伸載荷不再增加，膠層邊緣處完全失效，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，最后擴(kuò)展到整個接頭，使接頭發(fā)生斷裂失效，因此，可認(rèn)為剝離應(yīng)力達(dá)到峰值后下降到零時膠接接頭開始失效。

　　結(jié)語

　　綜上所述，正向拉伸載荷下，鉚接接頭的失效呈現(xiàn)兩段式，主要失效模式是其中一塊碳纖維板從鉚釘中拉脫。碳纖維鉚接接頭正拉強(qiáng)度依賴于鉚釘?shù)乃苄宰冃文芰ΑＴ阢T出側(cè)增加墊圈可顯著提高CFRP鉚接接頭的拉剪強(qiáng)度70%以上，主要原因在于墊圈可有效抑制拉脫失效，將失效模式限制為擠壓失效。鉚接+粘接混合連接方式，強(qiáng)度要高于單獨(dú)鉚接或粘接連接。當(dāng)鉚接強(qiáng)度與粘接強(qiáng)度相差較小時，強(qiáng)度提高比較明顯;當(dāng)鉚接強(qiáng)度與粘接強(qiáng)度相差較大時，復(fù)合連接的強(qiáng)度接近強(qiáng)度較高的一方。

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