【摘 要】
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随着汽车轻量化技术的快速发展,现代车身轻量化材料朝着多种材料混合使用的趋势发展。车身轻量化材料连接技术应用广泛,不同轻量化材料之间的连接性能备受关注,尤其是在新型轻量化材料碳纤维增强复合材料(CFRP)和传统轻量化材料铝合金之间,其连接的机理机制受到了学者们的广泛研究。目前,众多学者对于单一连接方式和混合连接方式的接头开展了许多力学性能实验的研究,但是对于不同连接技术之间的异种材料单搭接接头的连接
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随着汽车轻量化技术的快速发展,现代车身轻量化材料朝着多种材料混合使用的趋势发展。车身轻量化材料连接技术应用广泛,不同轻量化材料之间的连接性能备受关注,尤其是在新型轻量化材料碳纤维增强复合材料(CFRP)和传统轻量化材料铝合金之间,其连接的机理机制受到了学者们的广泛研究。目前,众多学者对于单一连接方式和混合连接方式的接头开展了许多力学性能实验的研究,但是对于不同连接技术之间的异种材料单搭接接头的连接机理和基础力学特征尚未被解释清楚。不同的连接技术有着各自的优点,在不同的车身部位有着不完全相同的连接应用,特别是在车身的一些特殊结构,如B柱与门槛之间的连接、发动机罩板的连接等等。因此,对于汽车轻量化连接技术而言,不同接头连接方式的准静态力学性能评估有着很高的指导设计的价值。为进一步探究异种材料单搭接接头的准静态力学性能,设计开展了一系列的创新研究,主要实验内容如下:(1)设计准静态拉伸实验,对异种材料单搭接胶接接头力学性能进行研究。设计了多组的实验变量:三种胶粘剂(DP840、Araldite2015、DP8010)和开孔是否填充胶粘剂。分析了胶接接头的载荷-位移曲线;运用数字图像相关性技术(DIC)对接头表面的应变场进行实时同步监测,准确记录胶接接头的断裂过程和应变分布及演变规律。此外,对试件的断面失效模式进行统计学分析,计算出不同失效模式的面积占比;通过光学显微镜以及扫描电子显微镜(SEM)观察失效后的搭接区域,揭示了不同失效模式之间的微观失效表现。研究结果表明,开孔填充胶粘剂有效的减缓了基板预制孔洞周围的应变集中,起到了均匀分散载荷避免应力集中的作用;不同胶接接头的性能存在差异,这些差异产生的原因主要是由于胶粘剂大分子对于基板表面的粘附力不同导致的。(2)通过实验研究了单搭接铆接接头的准静态力学性能。设计了多组实验变量:四种铆钉材料(1A97铝合金、2A10铝合金、6061铝合金、304不锈钢)、两种基板连接材料(铝合金-铝合金、铝合金-碳纤维增强复合材料)和两种铆接方向(铆钉从铝合金基板侧插入、铆钉从碳纤维复合材料基板侧插入)。通过载荷-位移曲线对各组变量的基本力学性能指标进行直观的比较;通过高速相机对铆接接头的失效过程进行拍照记录,对比了不同铆钉材料变量接头的失效流程,并对铆钉剪切失效的断面形貌结合理论力学知识进行了解释。研究结果表明,不同铆钉材料变量接头的失效模式不完全相同,出现了铆钉的剪切失效、CFRP基板破损等失效模式;铆钉材料要与基板材料相匹配,铆钉过强反而不利于铆钉连接效果的最优化;铆钉从CFRP基板侧插入的铆接接头有更为优异的力学性能,这对于实际工况中铆接的应用有一定的参考价值。(3)通过实验研究了异种材料单搭接胶铆混合连接单搭接接头的准静态力学性能。设计了多组实验变量:四种混合连接方案(DP840胶粘剂+6061铝合金铆钉、DP840胶粘剂+1A97铝合金铆钉、Araldite2015胶粘剂+6061铝合金铆钉、Araldite2015胶粘剂+1A97铝合金铆钉)和两种铆接方向(铆钉从铝合金基板侧插入、铆钉从碳纤维复合材料基板侧插入)。通过载荷-位移曲线分析、数字图像相关性技术(DIC)的全场应变监测及应变分析、接头断面失效模式的统计学分析、扫描电子显微镜对接头断面的微观形貌分析以及接头失效过程的对比分析,较为全面的解释了混合连接的增强机理。研究结果表明,混合连接方式相对于两个单一连接方式而言,有正的交互作用;不同混合连接方案的失效模式和失效过程不同,这主要取决于两种单一连接方式之间连接性能的配合效果,两种较强的单一连接方式组合而成的混合接头表现出很强的连接效果,两种较弱的单一连接方式组合而成的混合接头表现出较差的连接效果;不同铆钉插入方向对于混合连接接头的影响与铆接接头的影响相似,从碳纤维复合材料侧插入的混合连接接头表现出更好的力学性能。
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