纤维增强复合材料-金属车身结构机械连接技术研究进展.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()纤维增强复合材料金属车身结构机械连接技术研究进展余阳,庞敏,朱泽明,李文婧,张玥(青岛理工大学 机械与汽车工程学院,山东青岛 )摘要:随着汽车轻量化的需求增加,新轻型金属及非金属材料在车身结构中得到推广和应用,异种材料的连接技术是混合材料结构应用的关键技术.对纤维增强复合材料和金属板的机械连接技术进行了研究,重点讨论了螺栓连接、自冲铆、无铆钉铆接和单边机械连接的连接方法,为连接技术的应用提供参考.关键词:机械连接技术;纤维增强复合材料;金属板中图分类号:TH 文献标识码:A青岛理工大学大学生创新创业训练计划资助(S )收稿日期:;修订日期:作者简介:余阳(),男,浙江温州人,本科在读,专业为车辆工程.引言近年来,轻量化成为汽车设计制造的发展趋势,碳纤维增强复合材料(C F R P)、玻璃纤维增强复合材料(G F R P)和铝合金等新轻型材料在汽车领域逐渐得到推广和应用.在工程应用中,复合材料通常需要与金属板进行连接,复合材料金属的连接工艺是机械领域亟待解决的关键问题之一.粘接、传统机械紧固连接和焊接在复合材料连接中均有应用,但粘接结构的力学性能对湿度、温度等工作环境较敏感.电阻焊、超声波焊、激光焊等应用范围有限,通常适用于热固性树脂基复合材料的连接.尽管机械紧固连接存在应力集中和重量增加的问题,但是机械紧固由于工艺简单、易于维护和对工作环境不敏感而被广泛使用,其中铆接仍然是目前航空领域飞机薄壁结构的主要连接技术.本文研究了纤维增强复合材料与金属板的机械连接技术,对各连接技术的连接过程、连接机理和连接性能进行分析,并展望了相关连接技术的未来研究方向.螺栓连接螺栓连接是最早应用于复合材料与金属结构的连接方法之一.螺栓连接等传统的机械连接方法在连接前需要预钻孔,这将导致复合材料的分层损伤和孔周围的应力集中,导致接头的强度发生一定程度的退化.螺栓连接因具有易于装卸和良好的行业标准认证、易于实现自动化和铆接效率高等优势,被广泛应用于航空航天机械结构,尤其是重载结构.螺栓连接过程是将螺栓从接头的一侧插入孔中,并在另一侧用螺母装配.螺栓和螺母通过螺纹进行装配,通过施加适当的扭矩拧紧螺栓将接头部件保持在所需的压力下.螺栓直径通常等于钻孔直径,而螺栓头和螺母的直径需要大于孔的直径,螺栓头和螺母起到法兰的作用,通过形成机械外锁结构将基板进行连接.无铆钉铆接无铆钉铆接在连接过程中无需额外的紧固件,连接过程所需能耗低且获得的接头具有优异的疲劳性能,常应用于车身结构中金属框架的连接.近年来,随着纤维增强复合材料的广泛应用,研究者对复合材料和金属板的无铆钉铆接进行了相关研究.相对于金属材料,复合材料的延展性较差,采用传统无铆钉铆接进行连接时,通常将非金属板置为下板,连接过程中非金属板被冲孔发生断裂,金属板通过塑性变形与下板孔壁形成内锁结构.L a m b i a s e研究了无铆钉铆接技术连接铝合金与聚碳酸酯板的可行性,获得的接头成形截面如图所示,复合材料在连接过程中发生剪切断裂.为了减少铆接过程中的损伤,L e e等提出了一种复合材料和金属板的开孔铆接工艺,该工艺需要对复合材料下板进行预制孔.对于热塑性树脂基复合材料,随着温度的升高,材料的延展性大幅度提高,因此热辅助铆接工艺成为提高铆接质量的途径.L i n等使用预加热铆接工艺连接AA 铝合金和热塑性C F R P,研究表明软化后的碳纤维铺层能够承受铆接所需的大变形,获得的接头具有良好的性能.自冲铆接采用传统自冲铆连接复合材料板时,下板应具有较好的延展性.对于热固性树脂基复合材料,通常将复合材料置为上板进行连接.张杰等采用自冲铆连接C F R P与铝合金,通过设置不同的板材放置顺序研究获得接头的外观形貌,C F R P作下板时,C F R P受铆钉和上板的挤压发生破裂,导致接头成形质量不合格.为了减小连接过程中复合材料的损伤,刘洋等提出了C F R P与铝合金的温热自冲铆接方法,W a n g等 提出了C F R P与铝合金板的后固化自冲铆方法.图无铆钉铆接接头成形截面单边铆接方法上述三种连接方法均为双边连接,在机械结构中常存在密闭的薄壁结构,导致双边连接技术的应用具有局限性.单边连接技术为密闭结构的连接提供了解决方案,目前常用的连接技术包括摩擦搅拌盲铆接和流钻铆接,两种连接方法的示意图如图所示.图中,为夹具旋转角速度,v为夹具下移速度,F为夹具上移力,FA为铆钉刺穿力,n为铆钉旋转速度,MA为铆钉扭矩.图两种单边连接技术示意图M i n等 采用摩擦搅拌盲铆接C F R P与AA 铝合金,研究表明铆钉在高速旋转过程中会迅速穿透钢板材料,而不需要预先开孔.W a n g等 采用流钻铆接工艺制备了不同厚度C F R P和AA 铝合金的异种接头,分析了AA 板厚度、板材叠置顺序对接头最大拉伸载荷和失效模式的影响.结语机械连接具有连接范围广、接头强度高和易于实现自动化等优势,仍是汽车及航空航天领域主流的连接方法.每种机械连接方法都有其独特的优势和适用范围,后续应从连接成本、接头性能和工程应用推广效率等方面进行深入研究,制定相关的行业标准,为连接技术的推广和应用提供技术参考.参考文献:张坤,张丹,邹瑞睿,等 C F R P在汽车轻量化中的应用研究进展J工程塑料应用,():李永兵,马运五,楼铭,等轻量化薄壁结构点连接技术研究进展J机械工程学报,():丛志伟碳纤维复合材料铆接损伤变形及力学性能分析D大连:大连理工大学,:余海燕,李佳旭,周辰晓碳纤维复合材料与高强度钢板螺栓连接拉伸性能J同 济 大学 学报(自然 科 学版),():L a m b i a s eF J o i n a b i l i t y o f d i f f e r e n t t h e r m o p l a s t i cp o l y m e r sw i t ha l u m i n i u m AA s h e e t sb y m e c h a n i c a lc l i n c h i n gJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y,():L e eC,L e eS,L e eJ,e ta l D e s i g no fh o l e c l i n c h i n gp r o c e s s f o r j o i n i n gC F R Pa n da l u m i n u ma l l o ys h e e tJI n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f P r e c i s i o nE n g i n e e r i n g&M a n u f a c t u r i n g,():L i nPC,F a n gJC,L i nJ W,e ta l P r e h e a t e d(h e a t a s s i s t e d)c l i n c h i n g p r o c e s sf o r A l/C F R P c r o s s t e n s i o ns p e c i m e n sJM a t e r i a l s,:张杰,何晓聪,丁文有碳纤维板材与轻合金板材自冲铆接头性能研究J兵器材料科学与工程,():刘洋,庄蔚敏碳纤维增强树脂复合材料和铝合金温热自冲铆接工艺及接头力学性能J复合材料学报,():W a n gJ,Z h a n g G,Z h e n g X,e ta l A s e l f p i e r c i n gr i v e t i n g m e t h o df o rj o i n i n go fc o n t i n u o u sc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e a n d a l u m i n u m a l l o y s h e e t sJC o m p o s i t eS t r u c t u r e s,():M i nJ,L iY,L iJ,e ta l F r i c t i o ns t i rb l i n dr i v e t i n go fc a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e rc o m p o s i t ea n da l u m i n u ma l l o y s h e e t sJI n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y,():W a n gS,M i nJ,L i nJ,e t a l F l o wd r i l l r i v e t i n go f c a r b o nf i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e ra n da l u m i n u ma l l o ys h e e t sJW e l d i n g i nt h eW o r l d,():R e s e a r c hP r o g r e s so fM e c h a n i c a l J o i n i n gT e c h n o l o g i e s i nF i b e rR e i n f o r c e dC o m p o s i t e sa n dM e t a lA u t o b o d yS t r u c t u r e sY UY a n g,P A N G M i n,Z H UZ e m i n g,L IW e n j i n g,Z H A N GY u e(S c h o o l o fM e c h a n i c a l&A u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g,Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Q i n g d a o ,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h e i n c r e a s i n gd e m a n do f l i g h t w e i g h t v e h i c l eb o d y,n e wl i g h t w e i g h tm e t a l a n dn o n m e t a lm a t e r i a l s a r ew i d e l yu s e d i na u t o b o d ys t r u c t u r e T h e j o i n i n gt e c h n o l o g yo fd i s s i m i l a rm a t e r i a l s i s t h ek e yt e c h n o l o g yo fa p p l i c a t i o nh y b r i dm a t e r i a l s t r u c t u r e I nt h i sp a p e r,t h em e c h a n i c a l j o i n i n gt e c h n o l o g i e so f f i b e r r e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa n dm e t a l s h e e t a r er e v i e w e d,a n dt h e j o i n i n gm e t h o d so fb o l t j o i n i n g,s e l f p i e r c i n gr i v e t i n g,m e c h a n i c a lc l i n c h i n ga n do n e s i d em e c h a n i c a lf a s t e n i n ga r em a i n l yd i s c u s s e d I tp r o v i d e sr e f e r e n c e f o r t h ea p p l i c a t i o no f j o i n i n gt e c h n o l o g i e s K e y w o r d s:m e c h a n i c a l j o i n i n gt e c h n o l o g y;f i b e r r e i n f o r c e dc o m p o s i t e 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