铝-碳纤维粘接结构的仿真分析

李海鹏陈龙华颜伟王锦艳张鑫

摘要：汽车的轻量化是实现节能减排的一个主要手段，而轻量化的一个有效途径是轻质高性能材料。胶合技术是连接轻质高性能材料的一个有效手段。胶合技术是利用胶合剂在粘接界面形成机械结合力、物理吸附力等，从而使轻质材料表面粘合起来的一种技术。它拥有重量轻、应力分布均匀、防水和防止电化学腐蚀、密封性好、抗疲劳等方面的优点。碳纤维材料的热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，而铝的重量轻并且耐腐蚀。

关键词：胶合技术；节能减排；有限元分析；胶合接头

前言

目前，汽车的节能减排的主要途径之一就是发展汽车的轻量化技术。据统计，汽车每减重10%，油耗可降低6%-8%，车身减重有利于提高汽车的燃油经济性、车辆行驶平稳性，同时能减少刹车时汽车的滑行距离，间接地提高了汽车的安全性。对汽车本身来说，约70%的油耗是用在车身质量上的。因此车身的轻量化对于整车的轻量化起着重要的作用。

1、粘接结构介绍

搭接长度和宽度统称为胶接接头的尺寸，而胶接接头的尺寸与胶接接头的强度呈正相关关系，也就是说随着胶接接头的尺寸的增加，胶接接头的强度也会随之增加。在实际的应用中，一般根据需求或接头服役环境等选择胶接接头尺寸。胶层的厚度对胶接接头强度也有一定影响，随着胶层厚度的增加，胶接接头的强度呈现先增大后减小的趋势。

2、建立仿真模型

利用ABAQUS软件对建模好的样件模型进行热力耦合分析，分析粘接结构的失效形式。

2.1利用ABAQUS仿真分析

首先，利用ABAQUS建立样件模型，胶层材料利用内聚力模型建立。胶层内聚力模型使用的损伤准则为：（QuadsDamage）二阶应力准则，即当各个方向的名义应变比的平方和等于1时，损伤开始；损伤扩展规律为：二阶能量准则；而碳纤维复合材料板采用连续壳模型，铝合金板采用实体模型。

在网格划分时，根据材料的不同，我们要采用不同的网格类型进行网格划分。铝合金材料使用三维不兼容8节点实体单元（C3D8I）；CFRP材料使用三维连续壳单元（SC8R）；胶层单元采用三维混合内聚力模型单元（COH3D8），其张力-位移关系采用双线性张力位移关系，双线性张力-位移关系已经被广泛的用于胶接结构的研究之中，是一种较为成熟的张力-位移准则。网格的划分方式为：（Sweep）扫掠，即沿胶层内聚力模型的单元厚度方向划分网格。考虑到接头部分会发生应力集中，因此要对接头部分进行局部网格细化处理。

4、结论

ABAQUS仿真分析证明，碳纤维板和铝板在胶接接头处都有应力集中，但由于碳纤维板强度不足，其抗变形能力只有铝板的三分之一，所以，碳纤维板会在胶层和铝板前发生破坏。

参考文献

[1]张永祥.环氧树脂胶黏剂粘接结构性能的实验和理论研究[D].郑州大学2014.

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