碳纤维层合板与铝合金连接件的CAE分析

孙亚轩，刘朝辉

（比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118）

1 研究背景

汽车轻量化技术能够提高汽车动力性能，减少能量消耗，降低污染排放，实现良好的经济及社会环保效益。目前公司正在重点发展新能源汽车，新能源汽车的整车重量相对较大，比能量和比功率仍然偏小，影响车辆续航里程。轻量化技术则是提高续航能力的有效途径，因而新能源汽车对于轻量化技术要求更为迫切。

常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。金属材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金等；非金属材料包括工程塑料和复合材料等。本研究选取金属材料铝合金和非金属材料碳纤维复合材料层合板（以下简称为碳纤维板）作为连接对象。

2 胶接件的测试及分析

胶接件测试是为了得到胶的性能参数以及其破坏过程参数。分别做了铝合金与铝合金胶接，碳纤维板与碳纤维板胶接测试。样件种类包括十字正交胶接样件、T型胶接样件、三明治胶接样件，对应的测试类型均为拉伸测试。铝合金原始样件图片及测试完成的样件图片如图1。

图1 铝合金胶接样件，依次为十字正交、T型胶接、三明治胶接原始样件（上）及测试完成后样件（下）

两种材料胶接件的分析及对标过程一致，因此只介绍铝合金胶接件的分析及对标。在CAE软件中使用COS3D单元来表示胶层，COS3D单元可以用来预测胶层的剥离及剪切破坏，并能预测胶层破坏过程。分析时首先要将铝合金及碳纤维板样件的测试及分析得到的样件材料参数带入胶接件CAE分析中。此外，由于最终的目的是将胶接数据用于铝合金及碳纤维板连接件的分析中，因此最终只取两种材料胶接性能较弱的数据。

铝合金十字正交拉伸测试及分析得到的数据如下图2所示，其中横纵坐标分别为位移及力数值，灰色线为测试数据，红色线为CAE软件分析得到的数据。两种线在横坐标的差距主要是由于测试时样件不能完全固定所致。但两种线最高点位置基本一致，从而代表分析得到的胶层破坏极限值是正确的。

铝合金T型拉伸测试及分析得到的数据如下图3所示，其中横纵坐标分别为位移及力数值，灰色线为测试数据，红色线为CAE软件分析得到的数据。两种线在纵坐标的差距主要是由于制备胶接样件时胶在边角的堆积所致，但两种线的趋势基本一致，从而代表分析得到的胶层破坏过程是正确的。

图2 十字正交拉伸测试及分析数据

图3 T型拉伸测试数据及分析数据

铝合金三明治剪切拉伸测试及分析。由于该测试中几组数据比较分散，第3、5组样件是材料断裂，而非胶层破坏，因此最终只取了第1、2、4、6组数据进行对标。从对比数据可以看出，两种线略有差别，但总体趋势基本一致。从而表明CAE分析得到的胶层剪切破坏与实际测试的基本匹配。

碳纤维板胶接件的拉伸测试及分析过程与铝合金胶接件基本一致，通过以上的测试分析，最后得到的胶层破坏参数如表1。

表1 胶层破坏参数

其中σ1Ⅰ为胶层剥离强度，GⅠ为剥离能量，σ1Ⅱ为胶层剪切强度，GⅡ为剪切破坏能量。

3 连接件的测试及分析

连接件的测试及分析目的是为了对碳纤维板与铝合金的胶接及螺栓连接方式进行研究，同时验证CAE分析的准确性，为今后复杂结构的CAE分析奠定基础。

通过之前的测试及分析，得到了铝合金以及碳纤维板的模量、强度以及断裂参数，并掌握了胶层的性能参数。接下来将这些参数带入到CAE软件中的连接件模型（如图4），进行虚拟拉伸测试。

图4 连接件CAE分析模型

分析的最终断裂形式与实际测试基本一致，螺帽对碳纤维板剪切破坏，发生穿透，铝合金板在连接位置发生弯曲，产生塑性变形。

整个过程的力及位移曲线（如图5），连接件拉伸过程如下：碳纤维板及铝合金发生弹性变形，然后胶层发生断裂，接着碳纤维板及铝合金变形增大，铝合金发生塑性变形，螺栓的螺母对碳纤维板发生剪切，逐渐破坏碳纤维板，直至螺母脱离而出。从测试与分析得到的力及位移曲线可以看到，胶层断裂时最大力的数值基本一致，曲线的基本趋势一致，表示分析得到的拉伸过程与实际测试的过程基本一致。

图5 连接件测试及CAE分析得到的力位移曲线

4 结语

通过铝合金样件、碳纤维板样件、胶接件以及连接件的一系列测试，得到了材料参数、胶接性能参数、复合连接性能参数，这些参数是结构设计的基础。同步这些测试，做了CAE分析，分析结果表明，在参数及边界条件准确的情况下，CAE分析可以比较准确的预测实际结构的性能，为今后复杂结构的连接测试及分析打下基础。