车体复合材料连接结构设计及其力学性能分析

摘要

迄今为止，国内外各大车辆公司将复合材料应用在车体的次承力结构、主承力结构中已有多年的历史经验，技术应用也较为成熟。伴随着整体成型技术、共固化技术的发展及广泛应用，零件数量、紧固件数量在很大程度上得以减少，进而带来装配工艺的简化，出厂时间也得到缩减，但是剩余部位之间传递的载荷将变大。然而，在车辆的特别部位以及考虑个别设计与日常维护的需要，而特意预留的部分接口，这些连接部位就需要考虑相应的连接方式，所以材料的连接结构就成为了整体结构中最为关键的部位，进行连接结构强度、失效机理的分析对探究结构稳定性与耐久性有重大意义，为复合材料连接结构的优化提供可靠依据。　　本文基于复合材料连接结构在动车车身中的重要性，分别探究复合材料连接结构在不同铺层方案下的单螺栓连接、新型榫卯连接等连接强度。综合复材的结构理论、刚度退化理论以及渐进损伤理论，通过实验分析以及有限元模拟手段，对其连接强度性能及失效情况进行分析，从而验证新型榫卯结构的连接合理性以及连接高效性，并与已有文献中的实验结果进行对比。具体内容如下：　　(1)采用试验方法，测试不同连接形式在不同铺层方案设计下的连接强度，发现在同一铺层情况下，连接结构的连接承载强度从大到小依次为：榫卯有套有胶≈单板极限拉伸＞榫卯无套有胶＞榫卯有套无胶＞榫卯无套无胶＞搭接无套有胶＞单支极限拉伸＞搭接无套无胶；同时用ABAQUS有限元分析软件进行辅助验证。　　(2)随着铺层比例、铺层角度设置的变化，连接件破坏模式由拉伸、劈裂破坏逐渐变为挤压-剪切、挤压破坏，连接件的安全可靠性逐渐变高。由A、B两组系列实验数据和现象得出层压板最佳的铺层角度设计比例为0o、±45o、90o铺层分别占比40%、50%、10%。　　(3)针对承受沿轴向拉伸荷载的连接结构，沿轴向0o方向纤维铺层比例较高，可使得整体抗拉强度提高；±45o铺层比例较高时，连接孔局部抗挤压强度提升，因此复合材料铺层时应依据具体承载方式而设计对应的铺层。合理的铺层顺序及铺层角度比例能大幅提升层压板试验连接件的螺栓连接强度，同时改善因开孔而产生的应力问题。　　(4)将拉伸-剪切实验得到的不同程度损伤接口进行宏微观观察，得出：连接孔处表现为挤压式破坏，孔处纤维束因螺栓挤压而屈曲变形，进而挤压树脂基体使其由均匀分布变为团簇状，在粘胶剂处纤维束从树脂基体中拔出出现拉伸损伤断裂，结合面之间的粘胶剂能够有效延滞破坏的传递。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 复合材料连接问题的研究概况

1.2.1 复合材料机械连接概况

1.2.2 复合材料胶接连接概况

1.3 复合材料连接设计原则和注意事项

1.4 本文主要研究内容

第2 章复合材料基本理论和累积损伤分析方法

2.1 复合材料力学理论

2.1.1 各向异性体弹性力学基本方程

2.1.2 各向异性弹性体的应力与应变关系

2.1.3 正交各向异性弹性体的应力与应变关系

2.2 复合材料和胶层破坏分析理论

2.2.1 复合材料破坏分析理论

2.2.2 复合材料胶接中胶层破坏分析理论

2.3 累计损伤分析方法

2.4 累积损伤分析流程

第3 章层压板试件制备成型技术及拉伸性能测试

3.1 复合材料成型工艺

3.1.1 模压成型工艺简介

3.1.2 模压成型工艺所用的材料及工艺流程

3.1.3 模压成型工艺的技术要求

3.1.4 模压成型工艺特点和工程应用

3.2 实验用原料、仪器及试件制备工艺

3.2.1 原材料和仪器

3.2.2 试件制备工艺

3.2.3 试件制备应注意的问题及改进措施

3.3 复合材料连接的一般要求和拉伸实验准备

3.3.1 复合材料连接的一般要求

3.3.2 拉伸实验准备

3.4 0°、90°角单向铺层板拉伸性能

3.4.1 0°角单向铺层板拉伸实验

3.4.2 90°角单向铺层板拉伸实验

3.4.3 实验结果综合比较分析

3.5 0°/90°、±45°角混合铺层板拉伸性能

3.5.1 0°/90°角混合铺层板拉伸实验

3.5.2 ±45°角混合铺层板拉伸实验

3.5.3 实验结果综合比较分析

3.6 0°/±45°/90°混合铺层板拉伸性能

3.6.1 B组混合铺层板拉伸实验

3.6.2 拉伸实验断口形貌观察

3.6.3 实验结果综合比较分析

第4 章 榫卯接头力学性能分析与强度预测

4.1 数值模拟分析准确性的验证方法

4.2 有限单元法

4.2.1 ABAQUS简介

4.2.2 连接结构有限元模型的建立

4.2.3 网格划分与单元选取

4.2.4 材料的属性设置

4.2.5 定义接触

4.2.6 定义接触面

4.2.7 定义边界条件

4.2.8 榫卯接头的有限元数值分析

4.3 模拟结果综合比较分析

结论与展望

结论

展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果