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Al-CFRP预埋连接接头拉伸剪切静力学性能研究及优化
| 论文题名： | Al-CFRP预埋连接接头拉伸剪切静力学性能研究及优化 |
| 关键词： | 车身结构设计;预埋接头;碳纤维复合材料;本构模型;有限元仿真;多目标优化 |
| 摘要： | 车身轻量化技术一直是汽车行业长久以来的热门话题。用复合材料来代替车身零部件中部分金属材料的轻量化方式受到了广泛关注，由此带来的复合材料与金属连接的设计是车身结构设计中的关键问题之一。碳纤维增强复合材料（Carbonfiberreinforcedpolymer，CFRP）与金属的常见连接工艺包括胶接、螺栓连接、铆接和复合连接等，本文提出了一种铝合金与CFRP之间的预埋连接接头，相比于金属与CFRP的螺栓连接和铆接等机械连接，预埋连接接头在制备时无需对CFRP进行钻孔等破坏性行为，其承载能力显著高于传统的胶接接头，同时还避免了胶接抗剥离性能差、密封性不好等缺陷。本文通过试验与仿真相结合的方式对预埋连接接头的失效模式和损伤机理进行研究，基于遗传算法对接头的拉伸强度和剪切强度进行多目标优化，确定其最佳设计尺寸参数。本文的主要研究内容如下： 首先建立用于制备预埋连接接头的胶粘剂与CFRP对应的材料模型。对使用LT-5028环氧树脂胶粘剂制作的哑铃型试件和铝合金粘接接头进行准静态拉伸试验，得到了该环氧树脂胶粘剂的力学性能参数。根据LT-5028环氧树脂胶粘剂不同的失效形式，建立Cohesive模型和基于Lin本构的延性损伤本构模型，分别模拟环氧树脂胶粘剂的界面失效和内聚失效。采用改进后的Hashin失效准则和线性刚度退化的损伤演化形式建立CFRP的损伤模型。将上述材料模型用于后续预埋连接接头的仿真分析中。 随后进行预埋连接接头的准静态拉伸-剪切加载试验，试验的载荷-位移曲线表明，预埋连接接头的峰值载荷明显高于传统的单搭接胶接接头。对试验后的试件进行超声波无损探伤分析以及SEM电子显微镜扫描，观察接头内部的树脂以及CFRP的具体损伤情况。建立预埋连接接头的有限元仿真模型，研究预埋连接接头中各组分材料的失效过程和损伤模式。 最后基于预埋连接接头的预埋深度、连接区域宽度和胶层厚度三个尺寸参数，设计了三因素三水平的试验方案，通过响应曲面法对预埋连接接头的拉伸强度和剪切强度这两个目标建立二阶多项式代理模型。对目标函数进行敏感度分析，根据多目标遗传算法对拉伸强度和剪切强度进行优化，得到Pareto最优解集。通过优劣解距离法对解集中的较优解进行折中处理，得到最佳的接头尺寸参数设计方案。 综上所述，本文设计了一种Al-CFRP预埋连接接头，确定了制备接头所需要的各组分材料类型，通过一系列测试获得了对应的材料力学性能参数。通过试验和仿真研究了预埋连接接头在拉伸-剪切载荷下的失效模式和损伤机理，基于遗传算法对预埋连接接头的拉伸强度和剪切强度进行优化，为混合材料结构设计提供了指导。 |
| 作者： | 王祺源 |
| 专业： | 机械工程(车身工程) |
| 导师： | 庄蔚敏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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