碳纖維層合板與鋁合金連接件的CAE分析

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)能夠提高汽車動力性能，減少能量消耗，降低污染排放，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟及社會環(huán)保效益。目前公司正在重點發(fā)展新能源汽車，新能源汽車的整車重量相對較大，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標(biāo)過程一致，因此只介紹鋁合金膠接件的分析及對標(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樣件不能完全固定所致。但兩種線最高點位置基本一致，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)進行對標(biāo)。從對比數(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為膠層剝離強度，GⅠ為剝離能量，σ1Ⅱ為膠層剪切強度，GⅡ為剪切破壞能量。

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碳纖維板與鋁合金的膠接及螺栓連接方式進行研究，同時驗證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際測試基本一致，螺帽對碳纖維板剪切破壞，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)。