陳 濤，曾俊偉，段利斌，李 卓

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2. 汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039)

2016162

單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭連接效率的影響因素分析*

陳 濤1,2，曾俊偉1，段利斌1，李 卓1

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2. 汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400039)

對單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭進行拉伸試驗，同時建立其有限元模型進行仿真，對單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭連接效率的影響因素、接頭兩端剛度的差異對接頭連接效率的影響進行分析。結(jié)果表明：對于鋼材與鋁材之間的結(jié)構(gòu)膠連接，隨著母材材料屈服強度的增大，接頭連接效率不斷提高，但當(dāng)母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率反而呈現(xiàn)下降的趨勢；與鋼材相比，接頭連接效率對鋁材屈服強度更為敏感。接頭連接效率也隨接頭幾何尺寸(母材厚度、接頭搭接長度和搭接寬度)的增加而提高。而對于兩端剛度不同的結(jié)構(gòu)膠連接，接頭連接效率隨著其兩端剛度差異的加大而降低，因此為提高接頭的連接效率，應(yīng)盡量選用屈服極限相近的母材。

結(jié)構(gòu)膠接頭；單搭接；連接效率；剛度差異

前言

隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，車身所用材料呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，由于異種材料之間的物理、化學(xué)和力學(xué)性能方面存在較大差異，因此多材料輕量化車身對連接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，從而使異種材料之間的連接技術(shù)成為研究的熱點。由于異種材料采用傳統(tǒng)連接技術(shù)連接時具有很明顯的缺點，如傳統(tǒng)點焊連接由于技術(shù)瓶頸和成本的原因，無法廣泛應(yīng)用于異種材料的連接；而鉚接和螺栓連接則在連接處有顯著的應(yīng)力集中[1-2]。結(jié)構(gòu)膠連接作為一種新型連接技術(shù)，具有良好的異種材料連接性能，且有利于車身輕量化、提高車輛的碰撞性能和增加車身結(jié)構(gòu)的剛度、強度和耐久性，同時結(jié)構(gòu)膠連接技術(shù)也解決了傳統(tǒng)連接技術(shù)可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中和疲勞強度差等問題[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)膠連接進行了大量的研究，文獻[4]中研究了母材的材料特性、厚度和表面處理對同種材料之間結(jié)構(gòu)膠連接初始強度的影響。試驗表明，母材屈服強度和厚度的增加在一定程度上有利于提高接頭連接強度，而材料表面鍍層對接頭連接強度沒有影響。文獻[5]中對單搭接(single lap joint)接頭膠層內(nèi)部的應(yīng)力分布進行了研究，結(jié)果表明，接頭搭接區(qū)域兩邊緣處的膠層表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中，而在中間區(qū)域應(yīng)力集中則明顯降低。文獻[6]中采用離散彈簧單元來模擬結(jié)構(gòu)膠，并嘗試將其應(yīng)用到整車碰撞仿真中。文獻[7]中建立了三維實體單元來模擬結(jié)構(gòu)膠，并評價彈性模量、膠層厚度和載荷條件對膠層應(yīng)力分布的影響。文獻[8]中研究了溫度、應(yīng)變速率對膠接接頭沖擊性能的影響，結(jié)果表明膠接接頭的拉剪強度和能量吸收隨溫度的升高而減小，隨應(yīng)變率的提高而增大。文獻[9]中對車用結(jié)構(gòu)膠的有限元模擬方法進行了研究，從建模和計算效率等方面對比分析了內(nèi)聚力模型(cohesive zone model)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型、一維模型和斷裂力學(xué)模型等4種模擬方法的優(yōu)缺點。

隨著車身所用材料呈現(xiàn)多樣化的趨勢，結(jié)構(gòu)膠接頭更多地表現(xiàn)出剛度不平衡的特性，而在以往的文獻中，學(xué)者們主要針對剛度對稱的結(jié)構(gòu)膠接頭進行研究[10]，而對兩端剛度不同的結(jié)構(gòu)膠接頭，尤其是異種材料之間的剛度不同的結(jié)構(gòu)膠接頭的研究較少。本文中以鋼材與鋁材之間的結(jié)構(gòu)膠連接為研究對象，從剛度不同的單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭出發(fā)，以試驗與仿真相結(jié)合的方法，進而研究母材屬性和接頭幾何參數(shù)對單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭連接效率的影響，為工程實踐中異種材料的結(jié)構(gòu)膠連接技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

1 單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭拉伸試驗

1.1 試驗所用結(jié)構(gòu)膠及母材

根據(jù)汽車車身常用材料，試驗選取牌號為B280VK的鋼材，厚度為1.2mm；結(jié)構(gòu)膠型號為ZS-9540，它廣泛應(yīng)用于汽車車身的膠接結(jié)構(gòu)中，其參數(shù)如表1所示。

表1 試樣材料參數(shù)

1.2 試驗試樣的制作

車身鈑金件的連接方式通常為“短搭接”結(jié)構(gòu)，且接頭搭接區(qū)域的幾何形狀決定了連接接頭的受力形式，因此可以簡化為如圖1所示的單搭接接頭[11]。

根據(jù)ASTM D1002標(biāo)準(zhǔn)[12]制作試驗試樣，其幾何尺寸如圖2所示。接頭搭接區(qū)域用砂紙打磨，并用丙酮對母材表面進行清洗。有研究表明，膠接工藝參數(shù)如固化溫度和固化時間對結(jié)構(gòu)膠接頭性能有較大的影響[13]，因此根據(jù)試驗所用結(jié)構(gòu)膠的特性，膠層的固化溫度和固化時間分別設(shè)定為180℃和30min；同時，為了保證試驗結(jié)果的可靠性，防止其他因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，所有試驗試樣的制作均在相同的工藝條件下進行。

1.3 試驗方法與試驗結(jié)果

通過萬能拉伸機進行單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭拉伸試驗，保持5mm/min的恒定加載速度，如圖3所示。為了排除試驗的偶然性，每組試驗重復(fù)3次，通過測量試樣夾持端的力-位移曲線，如圖4所示。

一般情況下，接頭的失效模式大致可分為以下4種：被粘物(即母材)失效、膠粘劑失效(又稱為內(nèi)聚失效，cohesive failure，CF)、界面失效(adhesive failure，AF)和混合失效[14]。單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭在進行拉伸試驗時，一般認為母材不會發(fā)生斷裂失效，因此主要研究膠粘劑失效、界面失效和混合失效3種失效模式。

接頭的失效模式如圖5所示。由圖可知，接頭的失效模式為混合失效，即同時存在膠粘劑失效和界面失效，從局部放大的圖片可清晰地看到膠粘劑失效區(qū)域和界面失效區(qū)域。

2 單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭的仿真模擬

2.1 內(nèi)聚力模型理論

內(nèi)聚單元(cohesive element)通過內(nèi)聚力模型(cohesive zone model，CZM)來描述膠層在載荷下的力學(xué)響應(yīng)。內(nèi)聚力模型定義了內(nèi)聚力T與裂紋張開量δ之間的關(guān)系。最大內(nèi)聚力或內(nèi)聚強度T0和臨界裂紋張開量δ0可作為膠層的失效參數(shù)來預(yù)報內(nèi)聚單元的失效；而內(nèi)聚力在裂紋張開量上的積分，即內(nèi)聚單元的能量損耗Γ0，也可作為判斷內(nèi)聚力單元是否失效的參數(shù)，即

(1)

現(xiàn)階段，越來越多的研究開始使用內(nèi)聚力模型(CZM)模擬結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能，它可以合理地反映出膠層失效界面附近的強度、韌度等物理屬性[15]。

有限元軟件LS-DYNA[16]所提供的內(nèi)聚力模型MAT_169(MAT_ARUP_ADHESIVE)可用于結(jié)構(gòu)膠的模擬，根據(jù)MAT_169材料模型的本構(gòu)理論，將膠層簡化為一系列的法向和切向彈簧，其本構(gòu)簡化模型如圖6所示。

MAT_169材料模型中的材料參數(shù)為：(1)定義材料彈塑性力學(xué)性能的參數(shù)，包括材料密度、彈性模量、泊松比、沿單元厚度方向最大正應(yīng)力(TENMAX)和沿單元厚度方向最大剪應(yīng)力(SHRMAX)；(2)預(yù)報材料失效的參數(shù)，包括沿單元厚度方向正應(yīng)力作用下的能量損耗(GCTEN)以及沿單元厚度方向剪應(yīng)力作用下的能量損耗(GCSHR)[17]。沿單元厚度方向的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力(即法向和切向)的應(yīng)力-位移曲線如圖7所示。

2.2 有限元模型的建立與驗證

利用前處理軟件HYPERMESH建立單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭的有限元模型，如圖8所示。

其中，結(jié)構(gòu)膠膠層采用實體單元模擬，其材料模型為MAT_169(MAT_ARUP_ADHESIVE)，結(jié)構(gòu)膠接頭兩端的母材采用殼單元模擬，其材料模型為MAT_24(*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)，實體單元和殼單元的網(wǎng)格尺寸大小均為5mm。實體單元與殼單元之間的連接通過LS-DYNA軟件中的固連接觸(CONTACT_TIE)模擬，其優(yōu)點在于母材和膠層之間的連接與其網(wǎng)格劃分無關(guān)，即殼單元網(wǎng)格尺寸與實體單元網(wǎng)格尺寸之間無須一一對應(yīng)，它們可以分別采用不同尺寸的單元進行劃分。

為了驗證有限元模型的準(zhǔn)確性，其幾何參數(shù)、約束條件以及加載條件等均與試驗保持一致。圖9為仿真的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比。由圖可知，仿真曲線與試驗數(shù)據(jù)的峰值、變化趨勢和變化歷程都吻合得較好，因此認為所建立的有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性，可代替試驗進行研究分析。

3 單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭連接效率影響因素分析

3.1 接頭連接效率的定義

結(jié)構(gòu)膠連接的失效機理并未完全揭示，且目前大多數(shù)研究集中在對結(jié)構(gòu)膠膠層的應(yīng)力分布上[5,7]，根據(jù)膠層的應(yīng)力分布來判斷結(jié)構(gòu)膠連接的失效風(fēng)險。為了量化評估結(jié)構(gòu)膠的連接作用，根據(jù)文獻[18]中的研究成果，在本文中引入接頭連接效率(joint efficiency)的概念，如圖10所示。接頭連接效率在考查接頭連接強度的同時也考查了母材自身的拉伸強度，其定義為

(2)

3.2 影響因素的確定

對于鋼材與鋁材之間的結(jié)構(gòu)膠連接，影響接頭連接效率的主要因素有母材的材料屬性以及接頭幾何尺寸。本文中采用母材的屈服強度來表征其材料屬性，用母材厚度(Tsteel和TAl)、接頭的搭接長度和搭接寬度(L和W)來表征接頭的幾何參數(shù)。因此，選取BLD，ST37-2G，B280Vk和DP780 4種不同屈服強度的鋼材以及5052-O，5182-O，6063-T6和6061-T6 4種不同屈服強度的鋁合金作為仿真試樣的母材，其力學(xué)性能如表2所示，各影響因素的水平值如表3所示。

表2 母材的力學(xué)性能參數(shù)

3.3 基于最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計與結(jié)果

由于接頭連接效率的影響因素較多，為了充分考慮各影響因素的作用，需要建立具有多影響因素的試驗方案。最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計使所有的試驗點盡量均勻地分布在設(shè)計空間，具有非常好的空間填充性和均衡性，該設(shè)計方法主要的優(yōu)點在于可以用相對較小的樣本數(shù)提取相對較多數(shù)量的不確定因素，減少試驗的相對次數(shù)[19-21]。采用OHSL方法，針對上述6個影響因素共產(chǎn)生60組試驗方案，并通過數(shù)值仿真計算得到各試驗方案的接頭連接效率。其中部分試驗方案及仿真結(jié)果如表4所示。

表3 各影響因素的水平值 mm

表4 部分試驗設(shè)計方案及仿真結(jié)果

3.4 仿真結(jié)果分析

通過對仿真數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可得到各影響因素對接頭連接效率的影響曲線，如圖11所示。

由圖11(a)和圖11(b)可知，對于鋼材與鋁材之間的結(jié)構(gòu)膠連接， 隨著母材屈服強度的增加，接頭連接效率不斷增加，但是當(dāng)母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率不再提高或反而呈下降的趨勢。因此為了提高結(jié)構(gòu)膠接頭的連接效率，可適當(dāng)增加母材屈服強度實現(xiàn)。從圖中曲線上升段的斜率可見，鋁材屈服強度對接頭連接效率的影響更為敏感。

單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭進行拉伸試驗時，由于母材屈服強度較低，其更容易發(fā)生彎曲變形，膠層所受的由彎矩引起的應(yīng)力也更大，從而接頭的連接效率會更低；而當(dāng)母材屈服強度過大時，母材不容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致膠層所受到的力較大，當(dāng)膠層受力達到一定值后，接頭開始發(fā)生斷裂失效，從而降低接頭的連接效率。

由圖11(c)和圖11(d)可知，接頭連接效率隨著母材厚度的增加先升高后降低。圖中曲線上升段斜率表明，鋁材厚度的變化對接頭連接效率的影響比鋼材更敏感。

母材厚度對接頭連接效率的影響與母材屈服強度對接頭連接效率的影響原因類似。

由圖11(e)和圖11(f)可知，接頭連接效率大體上隨接頭搭接長度和寬度的增加而提高，但當(dāng)接頭搭接長度和寬度超過35mm后，接頭連接效率增加的趨勢趨于平緩，甚至稍有下降。從圖中曲線上升段的斜率可知，接頭搭接寬度對接頭連接效率的影響比長度的影響更敏感。

對于接頭搭接長度和寬度而言，隨著接頭搭接長度和寬度的增加，搭接區(qū)域的受力面積也相應(yīng)增加，在受力相同的情況下，接頭搭接區(qū)域的邊緣處所受平均應(yīng)力減少，從而膠層失效的可能性就會有所降低，因此接頭連接效率會有所增加；但是隨著接頭搭接長度和寬度的不斷增加，接頭的主要承載區(qū)域(單搭接結(jié)構(gòu)膠接頭的主要承載區(qū)域為搭接區(qū)域的邊緣處)并不會隨之增大，因此接頭連接效率也不會再增加；當(dāng)接頭搭接長度和寬度過大時，搭接區(qū)域的邊緣處更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，膠層失效的可能性也會大大增加，所以接頭連接效率會有所降低。

4 剛度差異對結(jié)構(gòu)膠接頭連接效率的影響

由于鋼材與鋁材力學(xué)性能的差異，其連接接頭兩端表現(xiàn)出剛度不同的特性，從而導(dǎo)致接頭受力不平衡，進而影響接頭的連接效率，而對于剛度不同的接頭，現(xiàn)階段所面臨的主要問題是如何處理接頭兩端的剛度不同對接頭連接效率的影響，本文中用接頭兩端母材屈服強度的差異來表征接頭兩端剛度的差異。根據(jù)3.4節(jié)的研究結(jié)果選取結(jié)構(gòu)膠接頭的幾何參數(shù)，如表5所示。接頭兩端的母材分別選取BLD，ST37-2G，B280Vk和DP780 4種不同屈服強度的鋼材以及5052-O，5182-O，6063-T6和6061-T6 4種不同屈服強度的鋁合金，其力學(xué)性能如表2所示。

表5 結(jié)構(gòu)膠接頭的幾何參數(shù) mm

同理，采用OHSL方法，共產(chǎn)生16組試驗方案，并通過數(shù)值仿真計算得到各試驗方案的接頭連接效率。試驗設(shè)計方案和仿真結(jié)果如表6和表7所示。

表6 試驗設(shè)計方案

表7 試驗設(shè)計仿真結(jié)果 %

應(yīng)用上文所建立的結(jié)構(gòu)膠接頭拉伸試驗有限元模型進行仿真試驗，可得到不同試驗組合下接頭的連接效率，由此可得到鋼材屈服強度和鋁材屈服強度對接頭連接效率的三維響應(yīng)曲面，如圖12所示。

由圖12可知，對于鋼材與鋁材之間的結(jié)構(gòu)膠連接，接頭連接效率主要取決于屈服強度相對較弱一端的母材，因此提高相對較弱一端母材的屈服強度可提高接頭連接效率，但是當(dāng)母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率的增加趨勢趨于平緩，甚至接頭連接效率隨著母材屈服強度的不斷增加而呈現(xiàn)下降的趨勢；同時從圖中可知，提高相對較強一端母材的屈服強度對接頭連接效率影響不大。

對于兩端剛度不同的結(jié)構(gòu)膠連接，由于接頭兩端剛度的差異造成了結(jié)構(gòu)膠膠層受力的非平衡性，從而增加了結(jié)構(gòu)膠膠層的失效危險，因此為了提高接頭連接效率，應(yīng)盡量減小接頭兩端剛度的差異。所以在工程實踐中，可通過選擇屈服極限相近的母材來減小結(jié)構(gòu)膠接頭兩端的剛度的差異，從而提高接頭連接效率。

5 結(jié)論

(1)對于鋼材與鋁材的結(jié)構(gòu)膠連接，隨著母材材料屬性(母材屈服強度)的增加，接頭連接效率不斷增加，但是當(dāng)母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率反而呈現(xiàn)下降的趨勢；研究同時表明，鋁材屈服強度對接頭連接效率的影響更為敏感。接頭連接效率隨幾何尺寸(母材厚度、接頭搭接長度和搭接寬度)的變化有類似的趨勢。

(2)由于鋼材與鋁材力學(xué)性能的差異，其連接接頭兩端表現(xiàn)出剛度不同的特性，從而導(dǎo)致接頭受力的非平衡性，同時也增加了結(jié)構(gòu)膠膠層的失效危險。研究表明：對于兩端剛度不同的結(jié)構(gòu)膠連接，為了提高接頭連接效率，應(yīng)盡量減小接頭兩端剛度的差異。在工程實踐中，可通過選擇屈服極限相近的母材來減小結(jié)構(gòu)膠接頭兩端剛度的差異，從而提高接頭連接效率。

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A Study on the Factors Affecting the Connection Efficiency of Single Lap Structural Adhesive Join

Chen Tao1,2, Zeng Junwei1, Duan Libin1& Li Zhuo1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing400039

The tensile test of single lap structural adhesive joint is conducted, meanwhile its finite element model is built with corresponding simulation performed to analyze the factors affecting the connection efficiency of single lap structural adhesive joint, in particular, the effects of stiffness discrepancy in both ends of joint on the connection efficiency of joint. The results show that for structural adhesive joint between steel and aluminum, the connection efficiency of joint rises with the increase of the yield strength of base metals, but when the yield strength of base metals further increase beyond a certain value, the connection efficiency of joint exhibits a trend of decline. Compared with steel, the connection efficiency of joint is more sensitive to the yield strength of aluminum, and the connection efficiency of joint also enhances with the increase of the geometric dimensions of joint (the thickness of base metal and the lap length and width of joint). For structural adhesive joint with different stiffness in both ends, the connection efficiency of joint declines with the increase of stiffness difference in both ends. As a result, for enhancing the connection efficiency of joint, the base metals with as close yield strength as possible should be chosen.

structural adhesive joint; single lap; connection efficiency; stiffness discrepancy

*國家國際科技合作計劃(2014DFG71590)、湖南省自然科學(xué)基金(14JJ3055)、中國博士后科學(xué)基金(2014M552132)、廣西科技計劃重大專項(桂科重1348003-5)和國汽(北京)汽車輕量化聯(lián)盟項目(20130303)資助。

原稿收到日期為2015年1月16日，修改稿收到日期為2015年4月10日。