單搭接結構膠接頭連接效率的影響因素分析*

陳 濤，曾俊偉，段利斌，李 卓

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2. 汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 400039)

2016162

單搭接結構膠接頭連接效率的影響因素分析*

陳 濤1,2，曾俊偉1，段利斌1，李 卓1

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2. 汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 400039)

對單搭接結構膠接頭進行拉伸試驗，同時建立其有限元模型進行仿真，對單搭接結構膠接頭連接效率的影響因素、接頭兩端剛度的差異對接頭連接效率的影響進行分析。結果表明：對于鋼材與鋁材之間的結構膠連接，隨著母材材料屈服強度的增大，接頭連接效率不斷提高，但當母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率反而呈現下降的趨勢；與鋼材相比，接頭連接效率對鋁材屈服強度更為敏感。接頭連接效率也隨接頭幾何尺寸(母材厚度、接頭搭接長度和搭接寬度)的增加而提高。而對于兩端剛度不同的結構膠連接，接頭連接效率隨著其兩端剛度差異的加大而降低，因此為提高接頭的連接效率，應盡量選用屈服極限相近的母材。

結構膠接頭；單搭接；連接效率；剛度差異

前言

隨著汽車輕量化技術的發展，車身所用材料呈現出多樣化的趨勢，由于異種材料之間的物理、化學和力學性能方面存在較大差異，因此多材料輕量化車身對連接技術提出了新的挑戰，從而使異種材料之間的連接技術成為研究的熱點。由于異種材料采用傳統連接技術連接時具有很明顯的缺點，如傳統點焊連接由于技術瓶頸和成本的原因，無法廣泛應用于異種材料的連接；而鉚接和螺栓連接則在連接處有顯著的應力集中[1-2]。結構膠連接作為一種新型連接技術，具有良好的異種材料連接性能，且有利于車身輕量化、提高車輛的碰撞性能和增加車身結構的剛度、強度和耐久性，同時結構膠連接技術也解決了傳統連接技術可能產生的應力集中和疲勞強度差等問題[3]。

國內外學者對結構膠連接進行了大量的研究，文獻[4]中研究了母材的材料特性、厚度和表面處理對同種材料之間結構膠連接初始強度的影響。試驗表明，母材屈服強度和厚度的增加在一定程度上有利于提高接頭連接強度，而材料表面鍍層對接頭連接強度沒有影響。文獻[5]中對單搭接(single lap joint)接頭膠層內部的應力分布進行了研究，結果表明，接頭搭接區域兩邊緣處的膠層表現出顯著的應力集中，而在中間區域應力集中則明顯降低。文獻[6]中采用離散彈簧單元來模擬結構膠，并嘗試將其應用到整車碰撞仿真中。文獻[7]中建立了三維實體單元來模擬結構膠，并評價彈性模量、膠層厚度和載荷條件對膠層應力分布的影響。文獻[8]中研究了溫度、應變速率對膠接接頭沖擊性能的影響，結果表明膠接接頭的拉剪強度和能量吸收隨溫度的升高而減小，隨應變率的提高而增大。文獻[9]中對車用結構膠的有限元模擬方法進行了研究，從建模和計算效率等方面對比分析了內聚力模型(cohesive zone model)、連續介質力學模型、一維模型和斷裂力學模型等4種模擬方法的優缺點。

隨著車身所用材料呈現多樣化的趨勢，結構膠接頭更多地表現出剛度不平衡的特性，而在以往的文獻中，學者們主要針對剛度對稱的結構膠接頭進行研究[10]，而對兩端剛度不同的結構膠接頭，尤其是異種材料之間的剛度不同的結構膠接頭的研究較少。本文中以鋼材與鋁材之間的結構膠連接為研究對象，從剛度不同的單搭接結構膠接頭出發，以試驗與仿真相結合的方法，進而研究母材屬性和接頭幾何參數對單搭接結構膠接頭連接效率的影響，為工程實踐中異種材料的結構膠連接技術提供一定的理論依據。

1 單搭接結構膠接頭拉伸試驗

1.1 試驗所用結構膠及母材

根據汽車車身常用材料，試驗選取牌號為B280VK的鋼材，厚度為1.2mm；結構膠型號為ZS-9540，它廣泛應用于汽車車身的膠接結構中，其參數如表1所示。

表1 試樣材料參數

1.2 試驗試樣的制作

車身鈑金件的連接方式通常為“短搭接”結構，且接頭搭接區域的幾何形狀決定了連接接頭的受力形式，因此可以簡化為如圖1所示的單搭接接頭[11]。

根據ASTM D1002標準[12]制作試驗試樣，其幾何尺寸如圖2所示。接頭搭接區域用砂紙打磨，并用丙酮對母材表面進行清洗。有研究表明，膠接工藝參數如固化溫度和固化時間對結構膠接頭性能有較大的影響[13]，因此根據試驗所用結構膠的特性，膠層的固化溫度和固化時間分別設定為180℃和30min；同時，為了保證試驗結果的可靠性，防止其他因素對試驗結果產生影響，所有試驗試樣的制作均在相同的工藝條件下進行。

1.3 試驗方法與試驗結果

通過萬能拉伸機進行單搭接結構膠接頭拉伸試驗，保持5mm/min的恒定加載速度，如圖3所示。為了排除試驗的偶然性，每組試驗重復3次，通過測量試樣夾持端的力-位移曲線，如圖4所示。

一般情況下，接頭的失效模式大致可分為以下4種：被粘物(即母材)失效、膠粘劑失效(又稱為內聚失效，cohesive failure，CF)、界面失效(adhesive failure，AF)和混合失效[14]。單搭接結構膠接頭在進行拉伸試驗時，一般認為母材不會發生斷裂失效，因此主要研究膠粘劑失效、界面失效和混合失效3種失效模式。

接頭的失效模式如圖5所示。由圖可知，接頭的失效模式為混合失效，即同時存在膠粘劑失效和界面失效，從局部放大的圖片可清晰地看到膠粘劑失效區域和界面失效區域。

2 單搭接結構膠接頭的仿真模擬

2.1 內聚力模型理論

內聚單元(cohesive element)通過內聚力模型(cohesive zone model，CZM)來描述膠層在載荷下的力學響應。內聚力模型定義了內聚力T與裂紋張開量δ之間的關系。最大內聚力或內聚強度T0和臨界裂紋張開量δ0可作為膠層的失效參數來預報內聚單元的失效；而內聚力在裂紋張開量上的積分，即內聚單元的能量損耗Γ0，也可作為判斷內聚力單元是否失效的參數，即

(1)

現階段，越來越多的研究開始使用內聚力模型(CZM)模擬結構膠的力學性能，它可以合理地反映出膠層失效界面附近的強度、韌度等物理屬性[15]。

有限元軟件LS-DYNA[16]所提供的內聚力模型MAT_169(MAT_ARUP_ADHESIVE)可用于結構膠的模擬，根據MAT_169材料模型的本構理論，將膠層簡化為一系列的法向和切向彈簧，其本構簡化模型如圖6所示。

MAT_169材料模型中的材料參數為：(1)定義材料彈塑性力學性能的參數，包括材料密度、彈性模量、泊松比、沿單元厚度方向最大正應力(TENMAX)和沿單元厚度方向最大剪應力(SHRMAX)；(2)預報材料失效的參數，包括沿單元厚度方向正應力作用下的能量損耗(GCTEN)以及沿單元厚度方向剪應力作用下的能量損耗(GCSHR)[17]。沿單元厚度方向的拉伸應力和剪切應力(即法向和切向)的應力-位移曲線如圖7所示。

2.2 有限元模型的建立與驗證

利用前處理軟件HYPERMESH建立單搭接結構膠接頭的有限元模型，如圖8所示。

其中，結構膠膠層采用實體單元模擬，其材料模型為MAT_169(MAT_ARUP_ADHESIVE)，結構膠接頭兩端的母材采用殼單元模擬，其材料模型為MAT_24(*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)，實體單元和殼單元的網格尺寸大小均為5mm。實體單元與殼單元之間的連接通過LS-DYNA軟件中的固連接觸(CONTACT_TIE)模擬，其優點在于母材和膠層之間的連接與其網格劃分無關，即殼單元網格尺寸與實體單元網格尺寸之間無須一一對應，它們可以分別采用不同尺寸的單元進行劃分。

為了驗證有限元模型的準確性，其幾何參數、約束條件以及加載條件等均與試驗保持一致。圖9為仿真的結果與試驗數據的對比。由圖可知，仿真曲線與試驗數據的峰值、變化趨勢和變化歷程都吻合得較好，因此認為所建立的有限元模型具有較高的準確性，可代替試驗進行研究分析。

3 單搭接結構膠接頭連接效率影響因素分析

3.1 接頭連接效率的定義

結構膠連接的失效機理并未完全揭示，且目前大多數研究集中在對結構膠膠層的應力分布上[5,7]，根據膠層的應力分布來判斷結構膠連接的失效風險。為了量化評估結構膠的連接作用，根據文獻[18]中的研究成果，在本文中引入接頭連接效率(joint efficiency)的概念，如圖10所示。接頭連接效率在考查接頭連接強度的同時也考查了母材自身的拉伸強度，其定義為

(2)

3.2 影響因素的確定

對于鋼材與鋁材之間的結構膠連接，影響接頭連接效率的主要因素有母材的材料屬性以及接頭幾何尺寸。本文中采用母材的屈服強度來表征其材料屬性，用母材厚度(Tsteel和TAl)、接頭的搭接長度和搭接寬度(L和W)來表征接頭的幾何參數。因此，選取BLD，ST37-2G，B280Vk和DP780 4種不同屈服強度的鋼材以及5052-O，5182-O，6063-T6和6061-T6 4種不同屈服強度的鋁合金作為仿真試樣的母材，其力學性能如表2所示，各影響因素的水平值如表3所示。

表2 母材的力學性能參數

3.3 基于最優拉丁超立方試驗設計與結果

由于接頭連接效率的影響因素較多，為了充分考慮各影響因素的作用，需要建立具有多影響因素的試驗方案。最優拉丁超立方設計使所有的試驗點盡量均勻地分布在設計空間，具有非常好的空間填充性和均衡性，該設計方法主要的優點在于可以用相對較小的樣本數提取相對較多數量的不確定因素，減少試驗的相對次數[19-21]。采用OHSL方法，針對上述6個影響因素共產生60組試驗方案，并通過數值仿真計算得到各試驗方案的接頭連接效率。其中部分試驗方案及仿真結果如表4所示。

表3 各影響因素的水平值 mm

表4 部分試驗設計方案及仿真結果

3.4 仿真結果分析

通過對仿真數據進行統計分析，可得到各影響因素對接頭連接效率的影響曲線，如圖11所示。

由圖11(a)和圖11(b)可知，對于鋼材與鋁材之間的結構膠連接， 隨著母材屈服強度的增加，接頭連接效率不斷增加，但是當母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率不再提高或反而呈下降的趨勢。因此為了提高結構膠接頭的連接效率，可適當增加母材屈服強度實現。從圖中曲線上升段的斜率可見，鋁材屈服強度對接頭連接效率的影響更為敏感。

單搭接結構膠接頭進行拉伸試驗時，由于母材屈服強度較低，其更容易發生彎曲變形，膠層所受的由彎矩引起的應力也更大，從而接頭的連接效率會更低；而當母材屈服強度過大時，母材不容易發生塑性變形，導致膠層所受到的力較大，當膠層受力達到一定值后，接頭開始發生斷裂失效，從而降低接頭的連接效率。

由圖11(c)和圖11(d)可知，接頭連接效率隨著母材厚度的增加先升高后降低。圖中曲線上升段斜率表明，鋁材厚度的變化對接頭連接效率的影響比鋼材更敏感。

母材厚度對接頭連接效率的影響與母材屈服強度對接頭連接效率的影響原因類似。

由圖11(e)和圖11(f)可知，接頭連接效率大體上隨接頭搭接長度和寬度的增加而提高，但當接頭搭接長度和寬度超過35mm后，接頭連接效率增加的趨勢趨于平緩，甚至稍有下降。從圖中曲線上升段的斜率可知，接頭搭接寬度對接頭連接效率的影響比長度的影響更敏感。

對于接頭搭接長度和寬度而言，隨著接頭搭接長度和寬度的增加，搭接區域的受力面積也相應增加，在受力相同的情況下，接頭搭接區域的邊緣處所受平均應力減少，從而膠層失效的可能性就會有所降低，因此接頭連接效率會有所增加；但是隨著接頭搭接長度和寬度的不斷增加，接頭的主要承載區域(單搭接結構膠接頭的主要承載區域為搭接區域的邊緣處)并不會隨之增大，因此接頭連接效率也不會再增加；當接頭搭接長度和寬度過大時，搭接區域的邊緣處更容易出現應力集中現象，膠層失效的可能性也會大大增加，所以接頭連接效率會有所降低。

4 剛度差異對結構膠接頭連接效率的影響

由于鋼材與鋁材力學性能的差異，其連接接頭兩端表現出剛度不同的特性，從而導致接頭受力不平衡，進而影響接頭的連接效率，而對于剛度不同的接頭，現階段所面臨的主要問題是如何處理接頭兩端的剛度不同對接頭連接效率的影響，本文中用接頭兩端母材屈服強度的差異來表征接頭兩端剛度的差異。根據3.4節的研究結果選取結構膠接頭的幾何參數，如表5所示。接頭兩端的母材分別選取BLD，ST37-2G，B280Vk和DP780 4種不同屈服強度的鋼材以及5052-O，5182-O，6063-T6和6061-T6 4種不同屈服強度的鋁合金，其力學性能如表2所示。

表5 結構膠接頭的幾何參數 mm

同理，采用OHSL方法，共產生16組試驗方案，并通過數值仿真計算得到各試驗方案的接頭連接效率。試驗設計方案和仿真結果如表6和表7所示。

表6 試驗設計方案

表7 試驗設計仿真結果 %

應用上文所建立的結構膠接頭拉伸試驗有限元模型進行仿真試驗，可得到不同試驗組合下接頭的連接效率，由此可得到鋼材屈服強度和鋁材屈服強度對接頭連接效率的三維響應曲面，如圖12所示。

由圖12可知，對于鋼材與鋁材之間的結構膠連接，接頭連接效率主要取決于屈服強度相對較弱一端的母材，因此提高相對較弱一端母材的屈服強度可提高接頭連接效率，但是當母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率的增加趨勢趨于平緩，甚至接頭連接效率隨著母材屈服強度的不斷增加而呈現下降的趨勢；同時從圖中可知，提高相對較強一端母材的屈服強度對接頭連接效率影響不大。

對于兩端剛度不同的結構膠連接，由于接頭兩端剛度的差異造成了結構膠膠層受力的非平衡性，從而增加了結構膠膠層的失效危險，因此為了提高接頭連接效率，應盡量減小接頭兩端剛度的差異。所以在工程實踐中，可通過選擇屈服極限相近的母材來減小結構膠接頭兩端的剛度的差異，從而提高接頭連接效率。

5 結論

(1)對于鋼材與鋁材的結構膠連接，隨著母材材料屬性(母材屈服強度)的增加，接頭連接效率不斷增加，但是當母材屈服強度增加到一定值后，接頭連接效率反而呈現下降的趨勢；研究同時表明，鋁材屈服強度對接頭連接效率的影響更為敏感。接頭連接效率隨幾何尺寸(母材厚度、接頭搭接長度和搭接寬度)的變化有類似的趨勢。

(2)由于鋼材與鋁材力學性能的差異，其連接接頭兩端表現出剛度不同的特性，從而導致接頭受力的非平衡性，同時也增加了結構膠膠層的失效危險。研究表明：對于兩端剛度不同的結構膠連接，為了提高接頭連接效率，應盡量減小接頭兩端剛度的差異。在工程實踐中，可通過選擇屈服極限相近的母材來減小結構膠接頭兩端剛度的差異，從而提高接頭連接效率。

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A Study on the Factors Affecting the Connection Efficiency of Single Lap Structural Adhesive Join

Chen Tao1,2, Zeng Junwei1, Duan Libin1& Li Zhuo1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing400039

The tensile test of single lap structural adhesive joint is conducted, meanwhile its finite element model is built with corresponding simulation performed to analyze the factors affecting the connection efficiency of single lap structural adhesive joint, in particular, the effects of stiffness discrepancy in both ends of joint on the connection efficiency of joint. The results show that for structural adhesive joint between steel and aluminum, the connection efficiency of joint rises with the increase of the yield strength of base metals, but when the yield strength of base metals further increase beyond a certain value, the connection efficiency of joint exhibits a trend of decline. Compared with steel, the connection efficiency of joint is more sensitive to the yield strength of aluminum, and the connection efficiency of joint also enhances with the increase of the geometric dimensions of joint (the thickness of base metal and the lap length and width of joint). For structural adhesive joint with different stiffness in both ends, the connection efficiency of joint declines with the increase of stiffness difference in both ends. As a result, for enhancing the connection efficiency of joint, the base metals with as close yield strength as possible should be chosen.

structural adhesive joint; single lap; connection efficiency; stiffness discrepancy

*國家國際科技合作計劃(2014DFG71590)、湖南省自然科學基金(14JJ3055)、中國博士后科學基金(2014M552132)、廣西科技計劃重大專項(桂科重1348003-5)和國汽(北京)汽車輕量化聯盟項目(20130303)資助。

原稿收到日期為2015年1月16日，修改稿收到日期為2015年4月10日。