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单搭接胶接接头剪切试验与有限元分析

发布于:2025-11-04 21:17
有限元分析

      由于汽车材料的不断更新和进步,目前在车身制造中一直被广泛应用的焊接方式因为技术和成本等原因,很难被广泛应用于车身铝板以及非金属材料零部件的连接工序中。胶接技术作为一种新的连接技术,由于具有良好的异质材料连接性、密封性和抗疲劳性,正逐步被应用于现代汽车的生产制造中。目前车身中的承载与半承载结构件还很少应用胶接技术作为主要的连接手段。但是随着粘接技术不断成熟和完善,这种连接方式将会在车身生产中起到更重要的作用。
      针对单搭接结构胶接接头应力与强度的问题,国内外的学者曾做过相应的工作。游敏等分别对胶瘤以及胶层不同力学性能参数对胶接接头应力分布与强度的影响做了一系列研究。对单搭接接头端部载荷求解提出了新的算法。周青通过静载和动载试验分别对粘接与焊接结构件的性能进行了对比,并且在有限元分析中对其快速建模方法进行了探讨。另外,关于温度场对粘接接头强度的影响也有学者进行过相关工作。
      随着搭接接头研究的深入,非平衡刚度胶接接头的研究工作也在逐步的展开。在以往研究中,胶接接头在拉伸载荷下的剪切试验多基于平衡接头,对刚度不平衡搭接结构相关的试验研究,尤其是不同温度场中刚度不平衡接头的试验还很少。由于被粘结构的异质性,非平衡接头失效情况与平衡接头有很大差异,求解接头端部载荷及胶层应力的解析方法也有所不同。由于汽车工作环境不仅为常温条件(通常范围为-40~90℃),对于这方面的工作还需要作出一定的补充和完善。本研究以此为目的,对被粘接件为钢板和铝板的刚度平衡、非平衡接头进行不同温度下的拉伸剪切强度试验,并给出刚度不平衡接头端部载荷公式,同时通过有限元仿真对不同类型接头的胶层应力进行对比。
      试验中所有单搭接胶接试验件的胶层均采用环氧树脂胶,该种结构胶被广泛应用于汽车车身的胶接结构中。被粘接材料分别为车辆结构中常见的低碳钢板和6016铝板。钢板和铝板厚度分别是1.5mm和0.8mm。
      单搭接胶接接头在工程应用中是最常用的胶接接头形式之一,也是其他类型接头分析的基础。根据GB/T 7124—2008《胶粘剂 拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》制作钢板-钢板,钢板-铝板和铝板-铝板3种类型的搭接试验样件,尺寸如图所示。通过同一夹具实现不同单搭接胶接接头胶层厚度均为0.1mm±0.02mm。
      被粘接钢板涂胶部位经过同一型号砂纸沿同一的方向进行打磨,用丙酮去除其表面油污和杂质。胶层固化条件为150℃固化45min。
      为了研究温度对不同单搭接试样强度的影响,粘接结构件拉伸试验将置于可控式恒温箱内进行。温箱可控制温度范围为-40~120℃ ,温度波动为±2℃。根据车身实际工况,本次试验中选取-35、20和90℃3种温度进行单搭接件的拉伸剪切强度试验。
      伺服试验机加载速率为0.2mm/min,每组试验通过6个相同类型试验样件来完成。
      不同温度中所有单搭接试样在拉伸力载荷作用下均在粘接部位发生胶层失效断裂,并且由于剥离应力的作用,破坏后粘接区域都发生明显的弯曲变形。为试验件破坏后的形貌(框内为粘接区域),从低温试验(-35℃)和常温试验(20℃)的胶层失效部位可以看到,当两种被粘接板条为同一材料时,即钢板-钢板连接或铝板-铝板连接,失效模式均为界面破坏,且破坏形貌沿粘接区域中线对称,两种温度下破坏形貌无明显区别。但被粘接板条在高温条件下(90℃),会出现胶黏剂的内聚失效,断裂区域胶层分布不均匀。当钢板与铝板混合搭接时,低温试验(-35℃)和常温试验(20℃)中单搭接接头的胶层界面失效位置发生在铝板与胶层结合面,由于刚度不平衡接头端部非平衡载荷的影响,与上述平衡接头不同,失效区域并非为对称形式;高温试验中接头破坏时胶层粘附失效与内聚失效同时发生,即混合破坏。



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