碳纤维复合材料铆胶连接强度研究

　　摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对碳纤维技术的应用也越来越广泛。采用有限元分析比较了碳纤维复合材料层合板之间铆胶连接的主要承力方式，并对铆胶连接方式做了静力拉伸试验、盐雾试验与疲劳试验。本文首先分析了结构胶连接技术概述，其次探讨了铆胶连接破坏形式分析，然后研究了提高铆接强度的方法，最后就胶层应力进行分析，以供参考。

　　关键词：碳纤维复合材料;铆胶连接;拉剪强度

　　引言

　　铆接在钣金连接结构中比较常用，然而由于铆接的抗剪切强度较低，往往通过增加铆钉数量来增加强度，但是当由于空间限制或其它原因铆钉数量不能增加还要满足强度要求时如何处理，本文通过工艺试验证明使用复合(铆接+粘接)连接方式可大大提高连接强度，解决钣金连接的强度不足的问题。

　　1结构胶连接技术概述

　　胶接技术是一门古老的连接技术，早在战国时期就己经开始得到应用，它是通过胶粘剂把若干物体通过化学或物理作用固定在一起的连接技术。(1)良好的异种材料连接性。随着车用材料的多样化，由于大部分材料在物理、化学性能上存在巨大差异，导致其他传统连接方式(如电阻焊接)无法有效的进行混合材料的连接，而结构胶不仅可以有效地实现其他连接方式无法进行的连接，还能在其他连接方式的基础上进行加固连接。(2)与其他连接方式相比，如焊接、螺纹连接等，减少了因开孔或受热变形而产生的应力集中，由于结构胶连接面积大，且为面与面的接触，一定程度上减少了应力集中现象，应力分布更为均匀，疲劳性能也更好，完全可以满足汽车车身异种材料的连接要求。(3)由于结构胶为非金属材料，不具备导电性，因此一定程度上隔绝了金属材料与金属材料的接触，避免了形成放电回路，从而减少了材料间的电化学腐蚀。同时，由于结构胶接头为完全密封的结构，阻隔了腐蚀气体与水分的进入，提高了接头的耐腐蚀性能。(4)相较于机械连接接头，粘接接头拥有更轻的质量。由于不使用螺栓、铆钉等较重的金属零件而减轻了接头的质量，十分有利于车身轻量化。(5)工艺简单，与其他连接技术具有良好的兼容性。与其他连接混合使用可明显的增强接头的韧性及强度。

　　2铆胶连接破坏形式分析

　　铆胶连接属于混合连接方式，即铆接连接与胶接连接。铆接连接方式属于机械连接，胶接连接方式属于二次胶接连接。铆胶连接可能存在胶层破坏与铆钉破坏两种形式，由于不确定此混合连接的破坏形式，因此采用Hypermesh软件分别建立开孔胶接连接与铆接连接两种模型，对两种模型分别分析后，选择承力较高的一种作为铆胶混合连接的模型。为验证有限元分析的有效性，采用层合板-层合板试验验证的方法进行铆接连接拉剪试验。铆接试验失效模式均为钉头剪切破坏，发生破坏时失效极限载荷为7.7kN左右，与有限元分析结果有差异。从有限元分析受力情况来看，铆接破坏最大受力点在铆钉芯，拉剪时表现为钉头剪切破坏，与实际试验破坏形式相符。开孔胶接模型能承受的最大拉力为13440N左右，约为铆接连接的一倍，可以认为在铆胶连接中，主要承力单位为胶接连接。在拉力达到胶层破坏临界值时，铆钉无法承受此拉力而瞬间破坏，因此可以认为在铆胶连接中，铆钉几乎不起受力作用。由分析模型中可以看出，连接结构在拉剪过程中，承力部位较大的位置为连接片边缘位置，可以认为中心空洞对其拉剪应力影响不大。为验证有限元分析的有效性，采用层合板-层合板试验验证的方法进行开孔胶接连接拉剪试验。通过对铆接连接与开孔胶接连接对比，发现开孔胶接连接的失效极限载荷大于铆接连接的失效极限载荷，因此认为在铆胶混合连接中，开孔胶接连接为主要承力连接，推测铆胶混合连接强度应与开孔胶接连接强度一致。

　　3提高铆接强度的方法

　　由上述实验结果可得CFRP铆接接头的失效模式主要为挤压-拉脱混合失效，两种失效模式的成因均为铆钉与钉孔之间应力过大，表现为钉孔的部分或全部材料发生破坏。因此可以考虑从缓解铆钉对钉孔的挤压角度减小钉孔的破坏，延缓挤压失效与拉脱失效两种失效模式的发生，进而提升铆接接头的性能。根据抽芯铆钉的铆接原理，施铆后钉尾逐渐胀大，铆钉外壁主要与钉尾一侧的钉孔接触，因此考虑使用金属平垫圈限制钉尾胀大部分对于铆钉孔的挤压作用，同時又可以增大钉尾与铆钉孔周的接触面积，有效防止拉脱失效的发生。欲限制钉尾的胀大作用对钉孔的挤压，需要垫圈内径介于铆钉孔的内径与施铆前的铆钉外径之间。垫圈增加了铆钉与钉孔间的接触面积，可有效预防拉脱失效的发生。这说明带垫圈的CFRP铆接接头在失效前已完全发挥了CFRP的性能，在此种失效模式下欲提升接头性能，需考虑提高铆钉孔周的强度和制造质量。有垫圈与无垫圈的接头在弹性阶段两者刚度基本一致，垫圈稍稍延缓了初始失效的发生，而有垫圈的铆接接头由于垫圈限制了铆钉的拉脱，仅仅发生挤压失效不足以对接头承载能力造成严重影响。随着位移的增加，直到挤压失效区域扩展至试样端部，接头完全失效。由此可得：在钉尾端增加平垫片，可以有效防止铆接接头发生拉脱失效，将失效模式限制为挤压失效，从而大幅提升接头强度，同时也大幅增加了失效后的位移，提升了结构失效时的能量吸收能力。

　　4胶层应力分析

　　为探究钢/铝单搭接接头胶层发生失效的原因和过程，下面将对钢/铝异种材料的结构胶连接接头处的应力进行分析讨论，首先在胶接接头上建立局部坐标系。使用hyperview软件进行单搭接接头试验的有限元仿真后处理。由于试件在胶层宽度方向呈对称结构，因此主要研究单搭接接头在胶层长度方)的应力分布，在搭接宽度方向中心位置，沿搭接长度方向依次取各节点的应力值。力。在胶层中间位置剥离应力为负值，主要原因是胶层边缘的用力集中导致接头产生弯曲变形，在胶层边缘形成一个支点，根据受力平衡原理，导致胶层中心产生了负剥离应力。胶层中间位置的剪切应力远高于胶层边缘处的应力值。通过对比胶层的剥离应力和剪切应力，发现剥离应力峰值远大于剪切应力峰值，且剥离应力峰值接近结构胶强度极限，根据式的二次名义应力准则可知，剥离应力上升到峰值时，胶层边缘的内聚力单元逐渐开始软化，随后随着拉伸位移的增加，断裂能量达到临界值，此时接头的拉伸载荷不再增加，胶层边缘处完全失效，导致裂纹产生，最后扩展到整个接头，使接头发生断裂失效，因此，可认为剥离应力达到峰值后下降到零时胶接接头开始失效。

　　结语

　　综上所述，正向拉伸载荷下，铆接接头的失效呈现两段式，主要失效模式是其中一块碳纤维板从铆钉中拉脱。碳纤维铆接接头正拉强度依赖于铆钉的塑性变形能力。在铆出侧增加垫圈可显著提高CFRP铆接接头的拉剪强度70%以上，主要原因在于垫圈可有效抑制拉脱失效，将失效模式限制为挤压失效。铆接+粘接混合连接方式，强度要高于单独铆接或粘接连接。当铆接强度与粘接强度相差较小时，强度提高比较明显;当铆接强度与粘接强度相差较大时，复合连接的强度接近强度较高的一方。

　　参考文献：

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