黃紅端 史付磊 韋春萍 張波

【摘 要】結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用過(guò)程中，通常需要確定最佳的搭接參數(shù)，如搭接寬度、膠層厚度等，但對(duì)于不同的材料，最適合的搭接寬度是不同的。文章通過(guò)試驗(yàn)手段探究了接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)膠接接頭強(qiáng)度的影響，確定了合理的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)范圍，為膠接接頭在車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】試驗(yàn);結(jié)構(gòu)膠;接頭強(qiáng)度;應(yīng)力分布

【中圖分類號(hào)】TG407 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）05-0142-02

0 引言

膠接技術(shù)由于其無(wú)需破壞母材且可連接異種材料的優(yōu)點(diǎn)，以及膠接工藝具有優(yōu)良的綜合性能，因此在非金屬車身上逐漸被廣泛采用。采用膠接工藝進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力分布均勻，疲勞耐久性好，具有良好的密封性，因此在車輛的制造過(guò)程中，很多部件都采用膠接方式進(jìn)行連接以減小應(yīng)力集中或提升局部結(jié)構(gòu)剛度[1]。

在膠接接頭性能方面，國(guó)外的學(xué)者也做了許多研究，無(wú)論是連接金屬材料或是復(fù)合材料，膠粘劑需要一個(gè)合適的黏結(jié)表面，不同的表面處理對(duì)膠接接頭性能的影響是不可忽略的。Lucas. F. M. 等人[2-4]研究了不同的表面處理方式、幾何參數(shù)及材料對(duì)單搭接接頭剪切性能的影響，總結(jié)了不同表面處理?xiàng)l件、搭接邊寬度和膠層厚度對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響。Naito K.等人對(duì)膠層厚度影響接頭強(qiáng)度的具體規(guī)律進(jìn)行了進(jìn)一步的探究發(fā)現(xiàn)，隨著膠層厚度的增大，接頭的剪切強(qiáng)度逐漸降低[5]。國(guó)內(nèi)方面，研究者們針對(duì)膠接接頭的幾何參數(shù)和膠接接頭的結(jié)構(gòu)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響進(jìn)行了大量的研究[6-8]。劉昌發(fā)[9]對(duì)膠層尺寸對(duì)鋁鋰合金單搭接膠接接頭剪切強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，確定了這種膠接接頭的最佳膠層厚度和搭接邊寬度。

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)影響的規(guī)律不一樣，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)提高接頭強(qiáng)度、延長(zhǎng)其使用壽命有重要意義。因此，本文利用試驗(yàn)與仿真分析手段探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及接頭的內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，為結(jié)構(gòu)膠在車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 搭接邊寬度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

1.1 搭接邊寬度試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆牟牧吓铺?hào)為HC420LA（簡(jiǎn)稱420）、5182鋁合金（簡(jiǎn)稱5182）、CFRP。3種板件的厚度分別為1.8 mm、1.5 mm和2.5 mm。膠粘劑選擇回天7130結(jié)構(gòu)膠，膠層厚度固定為0.2 mm，膠接接頭的搭接種類包括HC420LA-HC420LA、AA5182-AA5182、AA5182-CFRP、CFRP-

CFRP4種。接頭的搭接邊寬度選擇10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm 5個(gè)參數(shù)。

1.2 搭接邊寬度試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

進(jìn)行拉伸剪切實(shí)驗(yàn)時(shí)選取2 mm/min的加載速率進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后記錄每個(gè)樣件的接頭最大剪切載荷，分析搭接邊寬度對(duì)接頭最大剪切載荷的影響。

當(dāng)使用金屬材料作為母材時(shí)，不同的搭接邊寬度的最大接頭載荷分布如圖1所示。由圖1可以看出，搭接邊寬度對(duì)膠接接頭的最大剪切載荷影響如下：隨著搭接邊寬度的增大，接頭失效時(shí)峰值載荷會(huì)明顯增加，但是當(dāng)搭接寬度達(dá)到一定值以后，載荷上升速度隨搭接邊寬度的提升逐漸變慢。這是由于當(dāng)搭接邊寬度較小時(shí)，接頭失效載荷低于母材屈服強(qiáng)度，此時(shí)接頭失效過(guò)程中母材處于彈性階段，增加搭接邊寬度將明顯增加接頭失效載荷;當(dāng)搭接邊寬度較大時(shí)，接頭失效載荷超過(guò)母材屈服強(qiáng)度，接頭失效過(guò)程中母材屈服引發(fā)接頭塑性變形，而膠接頭抗塑性變形能力較差，因此接頭失效載荷不會(huì)明顯增加。

圖1中，不同搭接邊寬度接頭的最大剪切載荷分布如下：（a）為不同搭接邊寬度的420-420接頭最大剪切載荷分布情況;（b）為不同搭接邊寬度的5182-5182接頭最大剪切載荷分布情況;（c）為不同搭接邊寬度的5182-CFRP接頭最大剪切載荷分布情況;（d）為不同搭接邊寬度的CFRP-CFRP接頭最大剪切載荷分布情況。

2 膠層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

以5182鋁合金為母材，對(duì)不同搭接長(zhǎng)度下膠層厚度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)與分析，鋁合金板件的尺寸如下：長(zhǎng)度為100 mm、寬度為25 mm、厚度為1.8 mm，搭接區(qū)域長(zhǎng)度為10 mm，膠層厚度選取了0.2 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm 4個(gè)值。不同膠層厚度的單搭接膠接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)剪切條件下的最大剪切力如圖2所示。

由圖2可以看出，在不同搭接長(zhǎng)度下，膠層厚度對(duì)單搭接膠接接頭的剪切強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)。膠層厚度的增加并沒有提高接頭剪切強(qiáng)度。在不同的搭接邊寬度下，隨著膠層厚度的增加，接頭的剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)出了大致的先升高、后降低的趨勢(shì)。當(dāng)膠層厚度在0.2～0.3 mm這一區(qū)間時(shí)，膠接接頭剪切強(qiáng)度最大，當(dāng)膠層厚度超過(guò)0.3 mm時(shí)，接頭的剪切強(qiáng)度隨著膠層厚度的增加而降低。

3 結(jié)論

膠接接頭強(qiáng)度隨著搭接邊寬度的增加而增加，同時(shí)接頭強(qiáng)度增加的幅度逐漸變緩;在不同搭接長(zhǎng)度下，膠層厚度對(duì)單搭接膠接接頭的剪切強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，膠層厚度的增加并沒有提高接頭剪切強(qiáng)度。

本課題由國(guó)家自然科學(xué)基金（51505139）支持。作者感謝上汽通用五菱汽車股份有限公司和湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王滿，楊松柏.動(dòng)車組用膠粘劑及性能要求[C].北京國(guó)際粘接技術(shù)研討會(huì)，2010（8）：130-133.

[2]Silva L F M D ，Carbas R J C，Critchlow G W ，et al.Effect of material，geometry，surface treatment and environment on the shear strength of single lap joints[J].International Journal of Adhesion and Adhesives，2009，29（6）：621-632.

[3]Park J H，Choi J H，Kweon J H.Evaluating the st-rengths of thick aluminum-to-aluminum joints with different adhesive lengths and thicknesses[J].Co-mposite Structures，2010，92（9）：2226-2235.

[4]廖麗娟，黃晨光.Numerical analysis of effects of adhesive type and geometry on mixed-mode failure of adhesive joint[J].International Journal of Adhesion & Adhesives，2016：1-8.

[5]Naito K，Onta M，Kogo Y.The effect of adhesive thickness on tensile and shear strength of polyimide adhesive[J].International Journal of Adhesion andAdhesives，2012（36）：77-85.

[6]孔凡榮，游敏，鄭小玲，等.搭接長(zhǎng)度對(duì)膠接接頭工作應(yīng)力分布影響的數(shù)值分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（2）：213-217.

[7]趙波，呂振華，ZhaoBo，等.多焊點(diǎn)情況下膠焊單搭接頭的靜力分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（2）：239-242.

[8]盧志國(guó)，楊紇，林建平.膠層尺寸對(duì)單搭膠接接頭性能的影響研究[J].中國(guó)膠粘劑，2009，18（5）：1-3.

[9]劉昌發(fā)，黃明輝，孫振起.膠層尺寸對(duì)鋁鋰合金單搭接膠接接頭剪切強(qiáng)度的影響[J].機(jī)械工程材料，2012，36（3）：85-88.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]