碳纖維復合材料鉚膠連接強度研究

　　摘要：近年來，我國的工業化進程有了很大進展，對碳纖維技術的應用也越來越廣泛。采用有限元分析比較了碳纖維復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、鹽霧試驗與疲勞試驗。本文首先分析了結構膠連接技術概述，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度的方法，最后就膠層應力進行分析，以供參考。

　　關鍵詞：碳纖維復合材料;鉚膠連接;拉剪強度

　　引言

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

　　1結構膠連接技術概述

　　膠接技術是一門古老的連接技術，早在戰國時期就己經開始得到應用，它是通過膠粘劑把若干物體通過化學或物理作用固定在一起的連接技術。(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、化學性能上存在巨大差異，導致其他傳統連接方式(如電阻焊接)無法有效的進行混合材料的連接，而結構膠不僅可以有效地實現其他連接方式無法進行的連接，還能在其他連接方式的基礎上進行加固連接。(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生的應力集中，由于結構膠連接面積大，且為面與面的接觸，一定程度上減少了應力集中現象，應力分布更為均勻，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)由于結構膠為非金屬材料，不具備導電性，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腐蝕。同時，由于結構膠接頭為完全密封的結構，阻隔了腐蝕氣體與水分的進入，提高了接頭的耐腐蝕性能。(4)相較于機械連接接頭，粘接接頭擁有更輕的質量。由于不使用螺栓、鉚釘等較重的金屬零件而減輕了接頭的質量，十分有利于車身輕量化。(5)工藝簡單，與其他連接技術具有良好的兼容性。與其他連接混合使用可明顯的增強接頭的韌性及強度。

　　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。為驗證有限元分析的有效性，采用層合板-層合板試驗驗證的方法進行鉚接連接拉剪試驗。鉚接試驗失效模式均為釘頭剪切破壞，發生破壞時失效極限載荷為7.7kN左右，與有限元分析結果有差異。從有限元分析受力情況來看，鉚接破壞最大受力點在鉚釘芯，拉剪時表現為釘頭剪切破壞，與實際試驗破壞形式相符。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，可以認為在鉚膠連接中，主要承力單位為膠接連接。在拉力達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，連接結構在拉剪過程中，承力部位較大的位置為連接片邊緣位置，可以認為中心空洞對其拉剪應力影響不大。為驗證有限元分析的有效性，采用層合板-層合板試驗驗證的方法進行開孔膠接連接拉剪試驗。通過對鉚接連接與開孔膠接連接對比，發現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度應與開孔膠接連接強度一致。

　　3提高鉚接強度的方法

　　由上述實驗結果可得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力過大，表現為釘孔的部分或全部材料發生破壞。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生，進而提升鉚接接頭的性能。根據抽芯鉚釘的鉚接原理，施鉚后釘尾逐漸脹大，鉚釘外壁主要與釘尾一側的釘孔接觸，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生。欲限制釘尾的脹大作用對釘孔的擠壓，需要墊圈內徑介于鉚釘孔的內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，可有效預防拉脫失效的發生。這說明帶墊圈的CFRP鉚接接頭在失效前已完全發揮了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度和制造質量。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生，而有墊圈的鉚接接頭由于墊圈限制了鉚釘的拉脫，僅僅發生擠壓失效不足以對接頭承載能力造成嚴重影響。隨著位移的增加，直到擠壓失效區域擴展至試樣端部，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度，同時也大幅增加了失效后的位移，提升了結構失效時的能量吸收能力。

　　4膠層應力分析

　　為探究鋼/鋁單搭接接頭膠層發生失效的原因和過程，下面將對鋼/鋁異種材料的結構膠連接接頭處的應力進行分析討論，首先在膠接接頭上建立局部坐標系。使用hyperview軟件進行單搭接接頭試驗的有限元仿真后處理。由于試件在膠層寬度方向呈對稱結構，因此主要研究單搭接接頭在膠層長度方)的應力分布，在搭接寬度方向中心位置，沿搭接長度方向依次取各節點的應力值。力。在膠層中間位置剝離應力為負值，主要原因是膠層邊緣的用力集中導致接頭產生彎曲變形，在膠層邊緣形成一個支點，根據受力平衡原理，導致膠層中心產生了負剝離應力。膠層中間位置的剪切應力遠高于膠層邊緣處的應力值。通過對比膠層的剝離應力和剪切應力，發現剝離應力峰值遠大于剪切應力峰值，且剝離應力峰值接近結構膠強度極限，根據式的二次名義應力準則可知，剝離應力上升到峰值時，膠層邊緣的內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，導致裂紋產生，最后擴展到整個接頭，使接頭發生斷裂失效，因此，可認為剝離應力達到峰值后下降到零時膠接接頭開始失效。

　　結語

　　綜上所述，正向拉伸載荷下，鉚接接頭的失效呈現兩段式，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度依賴于鉚釘的塑性變形能力。在鉚出側增加墊圈可顯著提高CFRP鉚接接頭的拉剪強度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，強度要高于單獨鉚接或粘接連接。當鉚接強度與粘接強度相差較小時，強度提高比較明顯;當鉚接強度與粘接強度相差較大時，復合連接的強度接近強度較高的一方。

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