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《上海交通大學學報》2015年第十期

近年來，隨著車身用結構型膠粘劑的發展，膠接技術已逐步受到重視［1］，許多汽車制造企業都在車身連接中不斷增加結構膠接的比例［2］．因此，如何使得膠接強度滿足實際要求并建立統一的膠接接頭強度評價標準，是目前汽車制造企業相關部門關注的主要問題之一［3］．然而，在車身裝配制造過程中，膠層屬性及其尺寸、鋼板的屬性及厚度等因素的變化將對膠接接頭強度造成影響，從而降低膠接接頭的質量［4－8］．因此，如何量化分析這些因素對膠接接頭強度的影響，對于汽車車身的結構設計和制造質量都具有重要意義．目前，普遍使用的膠接強度評價指標是接頭拉剪強度．研究表明，膠層和鋼板的材料特性、幾何因素的變化將對接頭拉剪強度造成影響．例如，當膠層厚度增加時，膠接區域的內應力將明顯增大，造成了接頭拉剪強度的下降［4］；當膠層寬度和鋼板厚度增加時，膠接區域的承載能力增大，使得接頭拉剪強度增加［5－6］；而在接頭的拉剪變形過程中，膠層與鋼板的搭接邊緣處為明顯的應力集中區域，接頭斷裂將由應力集中區域向膠層內部擴展［7］．但是，相關的研究大多集中于單一因素對接頭拉剪強度的影響．若要考慮實際的車身裝配過程中膠層和鋼板的材料特性、幾何因素對膠接接頭變形和膠層內部應力分布的影響，需建立綜合考慮多因素變化的接頭拉剪強度量化模型，為此，本文采用有限元法預測膠接接頭拉剪過程中的膠層內部應力變化規律，建立了膠層和鋼板的材料特性、幾何因素與接頭拉剪強度之間的響應面模型，分析了膠層和鋼板的材料特性、幾何因素對接頭拉剪強度的影響．

1響應面模型建立

1．1膠接接頭拉剪強度的確定為研究膠接接頭拉剪強度的變化情況，本文制作了單搭膠接接頭試樣，其原料采用美國陶氏公司的Dow1486型韌性結構膠和上海寶山鋼鐵集團公司產SECC型電鍍鋅低碳鋼板．具體制作過程如下：采用潔凈布將厚度t2＝1．2mm的電鍍鋅低碳鋼板表面擦拭干凈，用噴槍將韌性結構膠（其中加入直徑0．25mm的玻璃微珠以保證膠層厚度）均勻涂敷在鋼板表面，將另一塊同樣厚度的潔凈電鍍鋅低碳鋼板均勻壓蓋在涂好的膠層上面；將其放入FD115型熱風循環烘箱中于180°C下烘烤固化30min，再冷卻至室溫后取出，用于膠接接頭的拉剪強度測試．固化后的膠接接頭拉剪試樣幾何尺寸如圖1所示［9］．膠接接頭拉剪強度取決于拉伸過程中膠層與鋼板斷裂分離時刻膠層內部所承受的最大應力［5］，但采用傳統的實驗測試方法較難確定，為此，本文采用有限元模型（FEM）分析拉剪過程膠層內部的應力變化規律，以獲取斷裂時刻的膠層內部最大應力．模型的幾何尺寸和材料性能參數與實驗所用一致，從陶氏公司和上海寶山鋼鐵集團公司的材料說明書［10］中獲得，分別如圖1和表1［10］所示．有限元網格劃分采用二維八節點平面單元，網格尺寸62．5μm．模型兩端采用38mm的y向自由度約束，左端由x向自由度約束，右端施加x向的均勻線載荷．采用最大主應力法則評價膠接接頭的拉剪強度．圖2所示為拉剪過程膠層與鋼板間的應力σ變化云圖．可以看出，在膠層與鋼板的接觸邊緣出現了應力集中．根據最大主應力法則，此時的膠層開始破壞，并產生初始裂紋且向膠層內部擴展，使得接頭拉剪強度下降．隨著變形的增大，裂紋擴展速度加快，易產生粗糙表面和羽毛狀紋理。在仿真計算中，當施加的拉力為7．8kN時，膠層與鋼板接觸區域的最大應力將達到膠層的極限抗拉強度37MPa，此時，膠層出現斷裂分離．由此預測出本文采用的拉剪接頭試樣所能承受的最大拉剪強度（拉剪力）為7．8kN．另外，由圖3中拉剪力F與位移s的變化曲線也驗證了有限元模型的正確性．因此，以下將有限元模型所獲膠層內部最大應力作為拉剪強度的評價指標．

1．2影響因素的確定膠層和鋼板的材料特性、幾何因素的變化，將對膠接接頭拉剪強度造成影響．其中，膠層寬度在實際生產中一般設定為固定值（本文設為11mm）．因此，響應面模型的主要影響因素分別為膠層的屈服強度σs1和厚度t1、鋼板的屈服強度σs2和厚度t2．為了確定上述影響因素的變化范圍，本文基于已建立的響應面有限元模型分析單因素對膠層內部最大應力σmax的影響規律．維持鋼板厚度1．2mm不變，當鋼板屈服強度σs2＝300，600，900MPa時，膠層的厚度和屈服強度對膠層內部最大應力的影響情況如圖4所示．可以看出：當鋼板屈服強度增加時，膠層內部最大應力減小，且在σs2＝300～600MPa時的影響較為顯著；而膠層厚度則存在一個影響膠層內部最大應力的臨界值，即當t1高于或者低于臨界值0．175mm時，都將使得膠層內部最大應力增加．膠層內部最大應力與膠層屈服強度呈負相關線性關系，其斜率幾乎不受鋼板屈服強度的影響．維持σs2＝600MPa不變，鋼板厚度分別取1．0、1．2、1．4mm時，膠層的厚度和屈服強度對膠層內部最大應力的影響情況如圖5所示．可見：當鋼板厚度增大時，膠層內部最大應力減小；同時，鋼板厚度對膠層厚度的臨界值也有明顯影響，即隨著鋼板厚度增加，膠層厚度的臨界值變大；膠層內部最大應力與膠層屈服強度呈負相關線性關系，其斜率受到鋼板厚度的影響．

1．3響應面模型建立4因素的二階響應面采用不完整二次型，至少需要進行14組實驗，本文共進行了15組實驗．對于每組實驗，通過數值仿真計算所得膠層內部最大應力σmax見表3．

2基于響應面模型的膠接強度分析

2．1主要因素的響應面分析在σs1＝27．5MPa時，次要因素x1＝0，x2、x3和x4的四維分析結果如圖7所示．由垂直于x2軸的2個平面可以看出，鋼板厚度的增加可使σmax降低，而鋼板屈服強度則存在一個最佳的臨界值，使得σmax最小（具體值），該臨界值的大小受到膠層厚度x2和鋼板厚度x4的影響．由垂直于x3軸的2個平面可以看出，膠層厚度x2也存在一個最佳的臨界值，使得σmax最小．

2．2次要因素的響應面分析

可以看出，σmax與膠層屈服強度x1呈線性關系，其斜率受其他3個因素的影響，其他3個因素越大，斜率越大．當k＝0時，其斜率為0，σmax與x1無關；當k＜0時，其斜率為負，且隨著膠層屈服強度增大，σmax減小；當k＞0時，其斜率為正，且隨著膠層屈服強度減小，σmax減小．

3結論

（1）在膠接接頭的拉剪過程中，膠層與鋼板的接觸界面邊緣出現了應力集中，裂紋首先從膠層中靠近界面的邊緣產生，膠層內部最大應力可以反映接頭拉剪強度的變化情況．（2）膠層內部最大應力與鋼板厚度呈負相關關系．膠層厚度和鋼板屈服強度均存在一個臨界值，使得膠層的內部最大應力最小，三者的最佳參數組合為膠層屈服強度489MPa，膠層厚度0．214mm，鋼板厚度1．4mm．（3）膠層內部最大應力與膠層屈服強度呈負相關線性關系，其斜率受到膠層厚度、鋼板的厚度及屈服強度的共同影響．

作者：楊颯 張延松 單位：上海交通大學 上海市復雜薄板結構數字化制造重點實驗室