一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法技术

本发明专利技术公开了一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法，其特征在于结论为：(1)环境温度对ISR‑7008胶粘剂本体力学性能的影响规律表明：随着温度的升高，粘接剂杨氏模量、拉伸强度和失效应变均呈下降趋势；(2)对搭接接头、嵌接接头和对接接头进行七组不同温度点测试表明：接头失效强度随温度升高逐渐降低，随温度降低接头失效强度逐渐升高，温度从常温25°C升高到80°C接头刚度逐渐降低，温度从常温25°C降低到‑40°C接头刚度逐渐增加。本发明专利技术的优点是：研究不同温度下粘接接头的性能变化规律，对于指导粘接结构的设计具有十分重要的意义。

A Strength Checking Method for Vehicle Bonded Structures in Full Temperature Field

【技术实现步骤摘要】
一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法
本专利技术涉及一种车辆的粘接结构领域，具体为一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法。
技术介绍
近些年，随着铝合金、高强钢和复合材料等新型材料在汽车工业中的应用日益广泛，以及多材料混合设计理念在汽车工业中的不断发展，传统的机械连接技术(如焊接、铆接等)已经不能完全满足需求。而粘接技术能够有效实现异种材料的连接，同时具有应力分布均匀、疲劳性能良好、轻量化效果好等优点，相比其它连接技术更加适用于新材料汽车结构连接，受到越来越多的重视。ISR-7008作为一种柔性聚氨酯粘接剂在汽车上应用越来越多，它不仅具有很高的抗撕裂强度，良好的抗冲击及韧性；同时，由于本身弹性模量较低，可以提供比较均匀的应力分布，因此，在汽车行业的应用越来越多。粘接技术为新材料汽车结构连接提供了极大的便利，但同时也存在一些问题。应用于车辆的粘接结构在实际应用过程中，其服役温度存在较大幅度变化(-40℃-80℃)，而粘接剂作为高分子材料，其性能受温度影响较大，进而造成粘接结构力学性能随温度改变发生变化。为了实现车辆的安全设计，粘接结构必须在车辆服役全温度场内提供有效的连接。因此，温度是粘接结构设计过程中必须考虑的重要因素之一，研究不同温度下粘接接头的性能变化规律，建立全温度场下粘接接头的失效预测方法，对于指导粘接结构的设计具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法，研究不同温度下粘接接头的性能变化规律，对于指导粘接结构的设计具有十分重要的意义。本专利技术采用的技术方案如下：一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法，基于车辆粘接结构服役温度范围，分别选择-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃和80℃温度点，设计加工0、15、30、45、60、75、90七种角度的粘接接头和相应工装夹具；测试粘接剂本体在低温-40℃，常温25℃和高温80℃条件下拉伸强度和杨氏模量，再测试七种角度接头在七个温度点失效强度，基于实验数据，获得不同温度下粘接接头二次应力失效准则，并在此基础上，建立全温度场环境下的失效准则曲面函数，其特征在于结论为：(1)环境温度对ISR-7008胶粘剂本体力学性能的影响规律表明：随着温度的升高，粘接剂杨氏模量、拉伸强度和失效应变均呈下降趋势；(2)对搭接接头、15°、30°、45°、60°、75°嵌接接头和对接接头进行七组不同温度点测试表明：接头失效强度随温度升高逐渐降低，随温度降低接头失效强度逐渐升高，温度从常温25℃升高到80℃接头刚度逐渐降低，温度从常温25℃降低到-40℃接头刚度逐渐增加；(3)基于不同温度点接头失效强度，获得不同温度下的粘接接头二次应力失效准则，并在此基础上，建立全温度场环境下的失效准则曲面函数，为不同温度、复杂应力状态下的粘接结构失效强度预测提供方法参考。进一步的，所选择的粘接剂是一种改性硅烷聚氨酯粘接剂ISR-7008，粘接基材选择6005A铝合金。本专利技术的优点是：本专利技术研究了全温度场环境下温度对接头粘接强度影响，基于车辆粘接结构服役温度范围，分别选择-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃和80℃温度点，设计加工0、15、30、45、60、75、90七种角度的粘接接头。测试七种角度接头在七个温度点失效强度，基于实验数据，获得不同温度下粘接接头二次应力失效准则，并在此基础上，建立全温度场环境下的失效准则曲面函数，为不同温度、复杂应力状态下的粘接结构失效预测提供参考。附图说明图1为本专利技术的对接和搭接接头示意图。图2为本专利技术的15°、30°、45°、60°、75°嵌接接头示意图。图3为本专利技术的粘接试件受力图(左)，胶层受力分解图(右)。图4为本专利技术的不同温度下的粘接接头失效准则曲线图。图5为本专利技术的ISR-7008粘接接头失效准则曲面图。具体实施方式本专利技术的具体实施方案和过程如下：1、粘接剂及粘接基材的选择。实验所选择的粘接剂是广泛应用于轿车、卡车和火车车窗粘接的一种改性硅烷聚氨酯粘接剂ISR-7008(Bostik中国有限公司生产)，粘接剂和粘接基材力学参数，如表2.1所示。技术手册提供的工作温度范围是-40℃-90℃。通过和空气中水反应生成永久弹性体。粘接基材选择6005A铝合金，该铝合金材料广泛应用于汽车车身结构。表1选择粘接材料力学参数性能2、粘接试件设计加工及粘接面受力分析。设计对接和搭接试样，用来分别研究粘接接头的在拉伸应力状态和剪切应力状态下的力学性能。对接接头整体尺寸是201mm×25mm×25mm，粘接面积是25×25mm2；搭接接头整体尺寸是175mm×25mm×11mm，粘接面积是25×25mm2；对接及剪切接头如图1所示，其中胶层厚度为1mm。粘接结构在实际服役过程中，往往受到拉应力和剪应力的共同作用，因此通过合理的接头设计，研究拉应力与剪应力耦合作用下的粘接接头失效行为，对于建立复杂应力作用下的粘接接头失效预测具有十分重要的意义。为了研究不同应力状态下粘接胶层失效行为，设计加工了粘接角度分别为15°、30°、45°、60°和75°的嵌接接头(如图2所示)，所有试件粘接厚度统一是1mm。由于粘接接头胶层呈薄片状，其某一主坐标方向上的尺寸远远小于其余两个主坐标方向的尺寸。该种类型的结构在受到复杂外力作用下，主要的应力为垂直于粘接面的拉应力与平行于粘接面的剪应力。考虑到胶层很薄，应力在胶层内是均匀分布的，则拉力和剪力之比即是拉应力与剪应力之比。接头受力图及胶层受力分解如图3所示。从力的分解图可以看出P是粘接试件两端的拉力，PN＝P×sinα是P在粘接胶层粘接面上的分量，即法向拉力；PS＝P×cosα是P在粘接胶层粘接上的剪切分量，即切向剪切力。胶层的法向拉应力σ和切向剪应力τ分别由式(1)和式(2)给出，其中A是胶层的粘接面积。将法向拉应力和和切向剪应力之比定义为拉剪比μ，其计算公式如下：选取α＝0、15、30、45、60、75、90，制作七种角度的粘接接头(为方便描述，后文将搭接接头称为0°接头，对接接头称为90°接头)，对应的拉剪比值分别是0、0.27、0.58、1、1.73、3.73、+∞(其中+∞表示单向拉伸，0表示单向剪切)。3、粘接接头失效准则曲面。为了对粘接接头的失效行为进行预测，实现安全设计，为粘接结构在汽车工业中的实际应用提供进一步参考与指导，有必要建立合理的失效准则。二次应力准则广泛用于粘接接头失效预测，其表达式如(4)所示。以切向剪应力τ为横坐标，法向正应力σ为纵坐标建立胶粘剂正剪应力坐标系，根据实验数据，采用最小二乘法，拟合得到不同温度下的粘接接头二次应力失效准则曲线，如图4所示。由图可知，随着温度的升高，粘接接头失效准则曲线与坐标轴之间的范围逐渐缩小，说明在高温条件下粘接接头更容易发生破坏。七个测试温度下的失效准则公式参数值(N、S)及对应拟合优度R2如表2.13所示。表2七个温度下失效准则参数值技对应拟合优度提取不同温度条件下失效准则公式中参数(N、S)，针对其随温度变化特征，采用指数函数对其变化规律进行拟合，得到公式(5)、(6)如下所示。将公式(5)、(6)带入式(4)，则得到全温度场条件下粘接接头失效准则公式。N＝2.07+0.82本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法，基于车辆粘接结构服役温度范围，分别选择‑40℃、‑20℃、0℃、25℃、40℃、60℃和80℃温度点，设计加工0、15、30、45、60、75、90七种角度的粘接接头；测试粘接剂本体在低温‑40℃，常温25℃和高温80℃条件下失效强度，再测试七种角度接头在七个温度点失效强度，基于实验数据，获得不同温度下粘接接头二次应力失效准则，并在此基础上，建立全温度场环境下的失效准则曲面函数，其特征在于结论为：(1)环境温度对ISR‑7008胶粘剂本体力学性能的影响规律表明：随着温度的升高，粘接剂杨氏模量、拉伸强度和失效应变均呈下降趋势；(2)对搭接接头、15°、30°、45°、60°、75°嵌接接头和对接接头进行七组不同温度点测试表明：接头失效强度随温度升高逐渐降低，随温度降低接头失效强度逐渐升高，温度从常温25℃升高到80℃接头刚度逐渐降低，温度从常温25℃降低到‑40℃接头刚度逐渐增加；(3)基于不同温度点接头失效强度，获得不同温度下的粘接接头二次应力失效准则，并在此基础上，建立全温度场环境下的失效准则曲面函数，为不同温度、复杂应力状态下的粘接结构强度失效预测提供方法参考。...

【技术特征摘要】
1.一种全温度场环境下车辆粘接结构强度校核方法，基于车辆粘接结构服役温度范围，分别选择-40℃、-20℃、0℃、25℃、40℃、60℃和80℃温度点，设计加工0、15、30、45、60、75、90七种角度的粘接接头；测试粘接剂本体在低温-40℃，常温25℃和高温80℃条件下失效强度，再测试七种角度接头在七个温度点失效强度，基于实验数据，获得不同温度下粘接接头二次应力失效准则，并在此基础上，建立全温度场环境下的失效准则曲面函数，其特征在于结论为：(1)环境温度对ISR-7008胶粘剂本体力学性能的影响规律表明：随着温度的升高，粘接剂杨氏模量、拉伸强度和失效应变均呈下降趋势；(2)对搭接接头、1...

【专利技术属性】
技术研发人员：范以撒，段俊法，上官林建，郭朋彦，张华伟，曹斌，彭晗，古冬冬，周甲伟，刘继高，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41