膠接接頭拉剪強(qiáng)度影響分析范文
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《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年第十期
近年來(lái)，隨著車身用結(jié)構(gòu)型膠粘劑的發(fā)展，膠接技術(shù)已逐步受到重視［1］，許多汽車制造企業(yè)都在車身連接中不斷增加結(jié)構(gòu)膠接的比例［2］．因此，如何使得膠接強(qiáng)度滿足實(shí)際要求并建立統(tǒng)一的膠接接頭強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是目前汽車制造企業(yè)相關(guān)部門關(guān)注的主要問(wèn)題之一［3］．然而，在車身裝配制造過(guò)程中，膠層屬性及其尺寸、鋼板的屬性及厚度等因素的變化將對(duì)膠接接頭強(qiáng)度造成影響，從而降低膠接接頭的質(zhì)量［4－8］．因此，如何量化分析這些因素對(duì)膠接接頭強(qiáng)度的影響，對(duì)于汽車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量都具有重要意義．目前，普遍使用的膠接強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)是接頭拉剪強(qiáng)度．研究表明，膠層和鋼板的材料特性、幾何因素的變化將對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度造成影響．例如，當(dāng)膠層厚度增加時(shí)，膠接區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力將明顯增大，造成了接頭拉剪強(qiáng)度的下降［4］；當(dāng)膠層寬度和鋼板厚度增加時(shí)，膠接區(qū)域的承載能力增大，使得接頭拉剪強(qiáng)度增加［5－6］；而在接頭的拉剪變形過(guò)程中，膠層與鋼板的搭接邊緣處為明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，接頭斷裂將由應(yīng)力集中區(qū)域向膠層內(nèi)部擴(kuò)展［7］．但是，相關(guān)的研究大多集中于單一因素對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度的影響．若要考慮實(shí)際的車身裝配過(guò)程中膠層和鋼板的材料特性、幾何因素對(duì)膠接接頭變形和膠層內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，需建立綜合考慮多因素變化的接頭拉剪強(qiáng)度量化模型，為此，本文采用有限元法預(yù)測(cè)膠接接頭拉剪過(guò)程中的膠層內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律，建立了膠層和鋼板的材料特性、幾何因素與接頭拉剪強(qiáng)度之間的響應(yīng)面模型，分析了膠層和鋼板的材料特性、幾何因素對(duì)接頭拉剪強(qiáng)度的影響．
1響應(yīng)面模型建立
1．1膠接接頭拉剪強(qiáng)度的確定為研究膠接接頭拉剪強(qiáng)度的變化情況，本文制作了單搭膠接接頭試樣，其原料采用美國(guó)陶氏公司的Dow1486型韌性結(jié)構(gòu)膠和上海寶山鋼鐵集團(tuán)公司產(chǎn)SECC型電鍍鋅低碳鋼板．具體制作過(guò)程如下：采用潔凈布將厚度t2＝1．2mm的電鍍鋅低碳鋼板表面擦拭干凈，用噴槍將韌性結(jié)構(gòu)膠（其中加入直徑0．25mm的玻璃微珠以保證膠層厚度）均勻涂敷在鋼板表面，將另一塊同樣厚度的潔凈電鍍鋅低碳鋼板均勻壓蓋在涂好的膠層上面；將其放入FD115型熱風(fēng)循環(huán)烘箱中于180°C下烘烤固化30min，再冷卻至室溫后取出，用于膠接接頭的拉剪強(qiáng)度測(cè)試．固化后的膠接接頭拉剪試樣幾何尺寸如圖1所示［9］．膠接接頭拉剪強(qiáng)度取決于拉伸過(guò)程中膠層與鋼板斷裂分離時(shí)刻膠層內(nèi)部所承受的最大應(yīng)力［5］，但采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法較難確定，為此，本文采用有限元模型（FEM）分析拉剪過(guò)程膠層內(nèi)部的應(yīng)力變化規(guī)律，以獲取斷裂時(shí)刻的膠層內(nèi)部最大應(yīng)力．模型的幾何尺寸和材料性能參數(shù)與實(shí)驗(yàn)所用一致，從陶氏公司和上海寶山鋼鐵集團(tuán)公司的材料說(shuō)明書［10］中獲得，分別如圖1和表1［10］所示．有限元網(wǎng)格劃分采用二維八節(jié)點(diǎn)平面單元，網(wǎng)格尺寸62．5μm．模型兩端采用38mm的y向自由度約束，左端由x向自由度約束，右端施加x向的均勻線載荷．采用最大主應(yīng)力法則評(píng)價(jià)膠接接頭的拉剪強(qiáng)度．圖2所示為拉剪過(guò)程膠層與鋼板間的應(yīng)力σ變化云圖．可以看出，在膠層與鋼板的接觸邊緣出現(xiàn)了應(yīng)力集中．根據(jù)最大主應(yīng)力法則，此時(shí)的膠層開始破壞，并產(chǎn)生初始裂紋且向膠層內(nèi)部擴(kuò)展，使得接頭拉剪強(qiáng)度下降．隨著變形的增大，裂紋擴(kuò)展速度加快，易產(chǎn)生粗糙表面和羽毛狀紋理。在仿真計(jì)算中，當(dāng)施加的拉力為7．8kN時(shí)，膠層與鋼板接觸區(qū)域的最大應(yīng)力將達(dá)到膠層的極限抗拉強(qiáng)度37MPa，此時(shí)，膠層出現(xiàn)斷裂分離．由此預(yù)測(cè)出本文采用的拉剪接頭試樣所能承受的最大拉剪強(qiáng)度（拉剪力）為7．8kN．另外，由圖3中拉剪力F與位移s的變化曲線也驗(yàn)證了有限元模型的正確性．因此，以下將有限元模型所獲膠層內(nèi)部最大應(yīng)力作為拉剪強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)．
1．2影響因素的確定膠層和鋼板的材料特性、幾何因素的變化，將對(duì)膠接接頭拉剪強(qiáng)度造成影響．其中，膠層寬度在實(shí)際生產(chǎn)中一般設(shè)定為固定值（本文設(shè)為11mm）．因此，響應(yīng)面模型的主要影響因素分別為膠層的屈服強(qiáng)度σs1和厚度t1、鋼板的屈服強(qiáng)度σs2和厚度t2．為了確定上述影響因素的變化范圍，本文基于已建立的響應(yīng)面有限元模型分析單因素對(duì)膠層內(nèi)部最大應(yīng)力σmax的影響規(guī)律．維持鋼板厚度1．2mm不變，當(dāng)鋼板屈服強(qiáng)度σs2＝300，600，900MPa時(shí)，膠層的厚度和屈服強(qiáng)度對(duì)膠層內(nèi)部最大應(yīng)力的影響情況如圖4所示．可以看出：當(dāng)鋼板屈服強(qiáng)度增加時(shí)，膠層內(nèi)部最大應(yīng)力減小，且在σs2＝300～600MPa時(shí)的影響較為顯著；而膠層厚度則存在一個(gè)影響膠層內(nèi)部最大應(yīng)力的臨界值，即當(dāng)t1高于或者低于臨界值0．175mm時(shí)，都將使得膠層內(nèi)部最大應(yīng)力增加．膠層內(nèi)部最大應(yīng)力與膠層屈服強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，其斜率幾乎不受鋼板屈服強(qiáng)度的影響．維持σs2＝600MPa不變，鋼板厚度分別取1．0、1．2、1．4mm時(shí)，膠層的厚度和屈服強(qiáng)度對(duì)膠層內(nèi)部最大應(yīng)力的影響情況如圖5所示．可見：當(dāng)鋼板厚度增大時(shí)，膠層內(nèi)部最大應(yīng)力減小；同時(shí)，鋼板厚度對(duì)膠層厚度的臨界值也有明顯影響，即隨著鋼板厚度增加，膠層厚度的臨界值變大；膠層內(nèi)部最大應(yīng)力與膠層屈服強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，其斜率受到鋼板厚度的影響．
1．3響應(yīng)面模型建立4因素的二階響應(yīng)面采用不完整二次型，至少需要進(jìn)行14組實(shí)驗(yàn)，本文共進(jìn)行了15組實(shí)驗(yàn)．對(duì)于每組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算所得膠層內(nèi)部最大應(yīng)力σmax見表3．
2基于響應(yīng)面模型的膠接強(qiáng)度分析
2．1主要因素的響應(yīng)面分析在σs1＝27．5MPa時(shí)，次要因素x1＝0，x2、x3和x4的四維分析結(jié)果如圖7所示．由垂直于x2軸的2個(gè)平面可以看出，鋼板厚度的增加可使σmax降低，而鋼板屈服強(qiáng)度則存在一個(gè)最佳的臨界值，使得σmax最小（具體值），該臨界值的大小受到膠層厚度x2和鋼板厚度x4的影響．由垂直于x3軸的2個(gè)平面可以看出，膠層厚度x2也存在一個(gè)最佳的臨界值，使得σmax最小．
2．2次要因素的響應(yīng)面分析
可以看出，σmax與膠層屈服強(qiáng)度x1呈線性關(guān)系，其斜率受其他3個(gè)因素的影響，其他3個(gè)因素越大，斜率越大．當(dāng)k＝0時(shí)，其斜率為0，σmax與x1無(wú)關(guān)；當(dāng)k＜0時(shí)，其斜率為負(fù)，且隨著膠層屈服強(qiáng)度增大，σmax減小；當(dāng)k＞0時(shí)，其斜率為正，且隨著膠層屈服強(qiáng)度減小，σmax減小．
3結(jié)論
（1）在膠接接頭的拉剪過(guò)程中，膠層與鋼板的接觸界面邊緣出現(xiàn)了應(yīng)力集中，裂紋首先從膠層中靠近界面的邊緣產(chǎn)生，膠層內(nèi)部最大應(yīng)力可以反映接頭拉剪強(qiáng)度的變化情況．（2）膠層內(nèi)部最大應(yīng)力與鋼板厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系．膠層厚度和鋼板屈服強(qiáng)度均存在一個(gè)臨界值，使得膠層的內(nèi)部最大應(yīng)力最小，三者的最佳參數(shù)組合為膠層屈服強(qiáng)度489MPa，膠層厚度0．214mm，鋼板厚度1．4mm．（3）膠層內(nèi)部最大應(yīng)力與膠層屈服強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，其斜率受到膠層厚度、鋼板的厚度及屈服強(qiáng)度的共同影響．
作者：楊颯 張延松 單位：上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室