Steel-CFRP異質材料膠結工藝及接頭性能的仿真與實驗研究.pdf

1、目前，隨著汽車產銷量的快速增長，出現(xiàn)了能耗短缺、過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，該領域對新能源車輛的研發(fā)越來越重視，其中輕量化已成為其關鍵核心技術之一。碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）因質量輕、強度高、抗疲勞、抗腐蝕和可設計性好等特點，而備受汽車制造商的關注。另一方面，目前用高強度鋼板代替普通中、低碳鋼板，通過減薄厚度來實現(xiàn)車體結構的輕量化。上述兩種主流

2、輕量化材料在同一車體結構中的應用，必然會帶來鋼板與CFRP兩種異質材料的安全可靠連接問題，這對提高整體結構性能和服役壽命起著至關重要的作用。
　　本文針對Steel/CFRP兩種異質材料的連接，基于局部熱沖壓技術，提出具有附加幾何形貌特征的Steel/CFRP膠結工藝，將有限元仿真、工藝實驗與拉伸剪切實驗相結合，研究膠結接頭的不同形貌特征對其失效載荷、剪切應力分布、剝離應力分布、斷裂能及工藝實施穩(wěn)定性的影響規(guī)律及原因，為Steel

3、/CFRP膠結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膠結接頭的力學性能及承載能力。主要結論如下：
　?。?）設計了平板形、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，基于膠結基本理論、復合材料力學、內聚力本構方程等理論，利用ABAQUS有限元仿真軟件研究不同附加幾何形貌特征對接頭性能、承載能力、應力分布的影響，得到使接頭性能較好的附加幾何形貌特

4、征及尺寸。
　　（2）失效載荷隨粘結長度的增加而呈線性增長趨勢，但在粘結長度超過最佳有效粘結長度后，繼續(xù)增加粘結長度，對接頭性能提高貢獻不大，反而會使膠結面積增大、結構重量及工藝復雜程度增加，難以控制膠層均勻性，易出現(xiàn)氣泡、空隙等缺陷進而影響接頭性能。
　?。?）不同附加幾何形貌特征的膠結接頭，因膠結件間形成了機械互鎖作用，使其應力分布與平板形有很大的不同；相對于平板形膠結接頭而言，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接頭能夠不同程度地提高接頭的力學性能，其中分布式球形凹坑對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Steel/CFRP膠結接頭中應力分布、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，需要進一步對“基于混合熱沖壓的局部變形膠結工藝”條件、附加幾何形貌特征布局及尺寸進行優(yōu)化，來提高接頭性能及承載能力。
　?。?）幾種不同形貌特征的Steel/CFRP膠結接頭承

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