孫亞軒，劉朝輝

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118）

1 研究背景

汽車輕量化技術(shù)能夠提高汽車動(dòng)力性能，減少能量消耗，降低污染排放，實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)環(huán)保效益。目前公司正在重點(diǎn)發(fā)展新能源汽車，新能源汽車的整車重量相對(duì)較大，比能量和比功率仍然偏小，影響車輛續(xù)航里程。輕量化技術(shù)則是提高續(xù)航能力的有效途徑，因而新能源汽車對(duì)于輕量化技術(shù)要求更為迫切。

常見的輕量化材料分為金屬和非金屬兩大陣營。金屬材料主要包括高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金等；非金屬材料包括工程塑料和復(fù)合材料等。本研究選取金屬材料鋁合金和非金屬材料碳纖維復(fù)合材料層合板（以下簡稱為碳纖維板）作為連接對(duì)象。

2 膠接件的測試及分析

膠接件測試是為了得到膠的性能參數(shù)以及其破壞過程參數(shù)。分別做了鋁合金與鋁合金膠接，碳纖維板與碳纖維板膠接測試。樣件種類包括十字正交膠接樣件、T型膠接樣件、三明治膠接樣件，對(duì)應(yīng)的測試類型均為拉伸測試。鋁合金原始樣件圖片及測試完成的樣件圖片如圖1。

圖1 鋁合金膠接樣件，依次為十字正交、T型膠接、三明治膠接原始樣件（上）及測試完成后樣件（下）

兩種材料膠接件的分析及對(duì)標(biāo)過程一致，因此只介紹鋁合金膠接件的分析及對(duì)標(biāo)。在CAE軟件中使用COS3D單元來表示膠層，COS3D單元可以用來預(yù)測膠層的剝離及剪切破壞，并能預(yù)測膠層破壞過程。分析時(shí)首先要將鋁合金及碳纖維板樣件的測試及分析得到的樣件材料參數(shù)帶入膠接件CAE分析中。此外，由于最終的目的是將膠接數(shù)據(jù)用于鋁合金及碳纖維板連接件的分析中，因此最終只取兩種材料膠接性能較弱的數(shù)據(jù)。

鋁合金十字正交拉伸測試及分析得到的數(shù)據(jù)如下圖2所示，其中橫縱坐標(biāo)分別為位移及力數(shù)值，灰色線為測試數(shù)據(jù)，紅色線為CAE軟件分析得到的數(shù)據(jù)。兩種線在橫坐標(biāo)的差距主要是由于測試時(shí)樣件不能完全固定所致。但兩種線最高點(diǎn)位置基本一致，從而代表分析得到的膠層破壞極限值是正確的。

鋁合金T型拉伸測試及分析得到的數(shù)據(jù)如下圖3所示，其中橫縱坐標(biāo)分別為位移及力數(shù)值，灰色線為測試數(shù)據(jù)，紅色線為CAE軟件分析得到的數(shù)據(jù)。兩種線在縱坐標(biāo)的差距主要是由于制備膠接樣件時(shí)膠在邊角的堆積所致，但兩種線的趨勢基本一致，從而代表分析得到的膠層破壞過程是正確的。

圖2 十字正交拉伸測試及分析數(shù)據(jù)

圖3 T型拉伸測試數(shù)據(jù)及分析數(shù)據(jù)

鋁合金三明治剪切拉伸測試及分析。由于該測試中幾組數(shù)據(jù)比較分散，第3、5組樣件是材料斷裂，而非膠層破壞，因此最終只取了第1、2、4、6組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)。從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，兩種線略有差別，但總體趨勢基本一致。從而表明CAE分析得到的膠層剪切破壞與實(shí)際測試的基本匹配。

碳纖維板膠接件的拉伸測試及分析過程與鋁合金膠接件基本一致，通過以上的測試分析，最后得到的膠層破壞參數(shù)如表1。

表1 膠層破壞參數(shù)

其中σ1Ⅰ為膠層剝離強(qiáng)度，GⅠ為剝離能量，σ1Ⅱ?yàn)槟z層剪切強(qiáng)度，GⅡ?yàn)榧羟衅茐哪芰俊?/p>

3 連接件的測試及分析

連接件的測試及分析目的是為了對(duì)碳纖維板與鋁合金的膠接及螺栓連接方式進(jìn)行研究，同時(shí)驗(yàn)證CAE分析的準(zhǔn)確性，為今后復(fù)雜結(jié)構(gòu)的CAE分析奠定基礎(chǔ)。

通過之前的測試及分析，得到了鋁合金以及碳纖維板的模量、強(qiáng)度以及斷裂參數(shù)，并掌握了膠層的性能參數(shù)。接下來將這些參數(shù)帶入到CAE軟件中的連接件模型（如圖4），進(jìn)行虛擬拉伸測試。

圖4 連接件CAE分析模型

分析的最終斷裂形式與實(shí)際測試基本一致，螺帽對(duì)碳纖維板剪切破壞，發(fā)生穿透，鋁合金板在連接位置發(fā)生彎曲，產(chǎn)生塑性變形。

整個(gè)過程的力及位移曲線（如圖5），連接件拉伸過程如下：碳纖維板及鋁合金發(fā)生彈性變形，然后膠層發(fā)生斷裂，接著碳纖維板及鋁合金變形增大，鋁合金發(fā)生塑性變形，螺栓的螺母對(duì)碳纖維板發(fā)生剪切，逐漸破壞碳纖維板，直至螺母脫離而出。從測試與分析得到的力及位移曲線可以看到，膠層斷裂時(shí)最大力的數(shù)值基本一致，曲線的基本趨勢一致，表示分析得到的拉伸過程與實(shí)際測試的過程基本一致。

圖5 連接件測試及CAE分析得到的力位移曲線

4 結(jié)語

通過鋁合金樣件、碳纖維板樣件、膠接件以及連接件的一系列測試，得到了材料參數(shù)、膠接性能參數(shù)、復(fù)合連接性能參數(shù)，這些參數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同步這些測試，做了CAE分析，分析結(jié)果表明，在參數(shù)及邊界條件準(zhǔn)確的情況下，CAE分析可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測實(shí)際結(jié)構(gòu)的性能，為今后復(fù)雜結(jié)構(gòu)的連接測試及分析打下基礎(chǔ)。