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原文传递开孔CFRP与铝合金无铆钉铆接接头准静态/动态拉伸-剪切损伤及失效研究

论文题名：	开孔CFRP与铝合金无铆钉铆接接头准静态/动态拉伸-剪切损伤及失效研究
关键词：	碳纤维增强复合材料;开孔无铆钉铆接;本构模型;拉伸-剪切作用;损伤演化;力学性能
摘要：	碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP）是由碳纤维丝作为增强相、树脂材料作为基体相组成的复合型材料，因其具有质量轻、强度大、可设计性强等特点，在汽车车身应用方面具有广阔的前景。目前车身主体是由钢、铝等金属材料制成的，在使用CFRP时，需要考虑其和金属材料的连接关系。开孔无铆钉铆接作为一种新型连接工艺，成形速度快，不需要CFRP发生变形，仅需在CFRP表面开孔后，依靠金属材料形变形成自锁，能够有效实现金属材料和非金属材料的连接。车身结构在服役过程中会受到碰撞、冲击等载荷作用，需要对接头在准静态和动态加载下的力学性能进行研究。本文以CFRP层合板和6061铝合金构成的开孔无铆钉铆接接头为研究对象，对其准静态和动态拉伸–剪切作用下的损伤演化和失效形式进行研究。本文的主要研究内容总结如下：　　基于应变率效应对环氧树脂基CFRP力学性能进行了研究。分别采用0°铺层、90°铺层和±45°铺层，进行准静态、0.05m/s、1m/s、5m/s和10m/s下的拉伸试验，获得CFRP层合板在0.001/s、1/s、20/s、100/s和200/s应变率下的力学性能。试验发现，加载时应变率会对CFRP层合板纤维方向、基体方向、偏轴拉伸等力学性能造成影响。因此，根据试验结果建立了CFRP力学性能和应变率之间的预测函数，用于后续对开孔CFRP和铝合金无铆钉铆接接头进行准静态和动态力学性能的研究。　　在考虑纤维旋转的基础上进行宏观/细观CFRP损伤及失效研究。在本文的研究中，层数低于8层的CFRP层合板定义为低层数试件，层数高于或等于8层的CFRP层合板定义为高层数试件。通过不同层数层合板的宏观拉伸试验，发现高层数层合板在偏轴拉伸过程中应力–应变曲线存在纤维旋转强化阶段。通过细观单胞有限元仿真，探究了偏轴拉伸过程中纤维旋转强化现象的起源。拟合了纤维旋转强化阶段的应力–应变函数关系，作为研究高层数的CFRP层合板力学性能和失效行为的基础。　　基于损伤力学，建立了应变率相关CFRP本构模型。在正交各向异性本构模型的基础上，建立了应变率修正的正交各向异性刚度矩阵。引入金属的塑性硬化准则和纤维旋转强化函数，拟合其中与应变率相关的所有参数。在此基础上，建立对应的应变率修正的失效准则和损伤演化模型，并通过仿真验证了所建立本构模型的有效性。　　在准静态加载下对开孔CFRP无铆钉铆接接头进行拉伸–剪切损伤及失效研究。设计了适用于开孔CFRP和铝合金无铆钉铆接的凹模和冲头，实现了异种材料的连接。对开孔CFRP与铝合金无铆钉铆接接头进行准静态下的拉伸–剪切试验，研究了不同铺层角度和层数对接头准静态拉伸–剪切性能的影响。建立了与试验尺寸一致的拉伸–剪切有限元仿真模型，验证了准静态加载时模型的有效性，研究了拉伸–剪切过程中，铝合金材料的变形过程以及CFRP层合板的失效形式和损伤演化规律。　　在动态加载下对开孔CFRP无铆钉铆接接头进行拉伸–剪切损伤及失效研究。对开孔CFRP和铝合金无铆钉铆接接头进行1m/s、5m/s和10m/s动态加载下的拉伸–剪切试验和有限元仿真，研究了加载速度对接头动态拉伸–剪切性能和损伤演化规律的影响。研究发现加载速度会改变接头的失效形式和损伤分布，对±45°铺层的接头影响比对其他铺层角度的接头影响更显著。总体来说，随着加载速度增大，接头失效位移减小，能够承受的峰值载荷增大。　　综上所述，本文的研究内容从CFRP应变率试验与仿真、细观宏观结合揭示CFRP纤维旋转机理出发，引入塑性硬化准则建立应变率相关的CFRP渐进损伤本构模型，再到无铆钉铆接接头的准静态/动态拉伸–剪切性能的试验和仿真等方面进行，掌握母材和接头的损伤演化和失效规律，实现从CFRP材料渐进损伤本构模型到接头失效形式的研究，为指导复合材料与金属混合结构设计提供科学依据，拓展了CFRP与铝合金连接的应用范围，为轻量化结构设计提供指导。
作者：	陈沈
专业：	机械工程(车身工程)
导师：	庄蔚敏
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023