CFRP和AA6061鋁合金異質疊層板自沖鉚過程分析

陳中傲,黃曉明,蘇 洲,王志勇

(1.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001;2.濱州學院 機電工程學院,山東 濱州 256603)

0 引言

復合材料是由兩種或兩種以上性質不同的物質組成的各向異性材料。復合材料與傳統材料相比,具有質量輕、比模量高、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優點,被廣泛應用于機械工程、航空、航天、汽車、電子等領域[1-2]。據統計,A350和B787等大型飛機的復合材料用量均超過了50%[3]。碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)作為一種主要航空用復合材料,已廣泛應用于機翼、機身等主承力結構。在飛機裝配中,CFRP結構件需要與金屬板材進行連接。航空鋁合金作為航空工業三大合金之首,具有比強度高、延展性好、耐腐蝕性強的優點[4-5]。航空鋁合金包括2系(2024、2A12等)、6系(6061、6082等)、7系(7050、7075等)等系列鋁材,被廣泛應用于飛機蒙皮、機身框架等結構件中[6]。

CFRP和鋁合金的連接屬于異質材料連接,不同材料間力學性能的巨大差異使得異質板連接成為工程應用中的難點[7]。自沖鉚接(SPR)作為一種新輕型薄板連接工藝,可通過鉚釘將多層不同材料的板材穿透進行連接。自沖鉚接無須進行預鉆孔,在連接過程中不會向材料傳遞熱量,接頭連接性能及抗疲勞性能更為優秀,在工程應用中有著獨特優勢[8-9],因此引起學者對該技術的廣泛關注。張杰等[10]基于CFRP和AA5052鋁合金板的自沖鉚接接頭進行了多種組合方式的拉伸剪切實驗,發現應采用CFRP為上板,AA5052鋁合金板為下板的搭接方式,其失效形式是CFRP纖維斷裂以及層間開裂,并且上板厚度越大,失效載荷以及能量吸收值越大。Meschut等[11]采用沖孔試驗評估了自沖鉚過程中CFRP損傷程度,研究表明CFRP主要發生分層損傷,彎曲剛度降低,導致結構過早失效。Liu等[12]建立了二維軸對稱模型,系統地研究了鉚接影響因素對鋁合金自沖鉚成形質量的影響,研究表明鉚釘腳張開半徑隨模具直徑和凸臺高度的增加而增大,隨模具深度的增加而減小。Liu等[13]研究了CFRP與鋁合金自沖鉚接頭的連接及損傷機理,提出了考慮剪切效應的復合材料損傷本構模型,研究表明其本構模型可以預測CFRP在大變形作用下的復雜損傷行為。

目前不同學者針對CFRP和鋁合金異質疊層板自沖鉚工藝進行了大量研究,但主要集中于鉚接質量與接頭破壞形式[14],對不同厚度CFRP和不同厚度鋁合金疊層板自沖鉚差異研究尚不完善,缺乏CFRP和AA6061鋁合金(CFRP/AA6061)自沖鉚過程分析。本文通過不同厚度CFRP和AA6061鋁合金組合的自沖鉚試驗,定量分析鉚接質量,確定最優厚度組合,基于CFRP損傷失效模型,對鉚接過程中CFRP和AA6061鋁合金的損傷變形情況進行有限元模擬,分析自沖鉚接頭形貌、層間狀態及鉚接力等。

1 試驗設計

圖1為自沖鉚接件示意圖。圖1(a)為鉚釘及模具示意圖,半空心鉚釘的半徑為2.65 mm、長度為6 mm,鉚釘材質為2A10鋁合金。采用圖1(b)所示搭接方式,CFRP為上板,AA6061鋁合金為下板[10],試件長寬尺寸規格為120 mm×25 mm。

圖1 自沖鉚接件示意圖

自沖鉚試驗設計如表1所示,其中搭接件總厚度為4 mm,選用不同厚度CFRP和不同厚度AA6061鋁合金進行組合。鋁合金試件厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm;CFRP厚度由預制過程中的鋪層數決定,CFRP鋪層數3、6、9分別對應厚度1 mm、2 mm、3 mm。

表1 不同厚度CFRP/AA6061組合方式試驗設計

采用YTR-50T四柱液壓機作為自沖鉚接工具,根據鉚釘高度設置沖頭行程為6 mm,保持1 mm/s勻速下壓。為觀測鉚接接頭結構及鉚接質量,沿子午線對接頭進行打磨拋光,侵蝕劑選用Keller試劑(氫氟酸1.0 mL、鹽酸1.5 mL、硝酸2.5 mL、水95.0 mL),侵蝕15 s后用溫水清洗,利用CX-H4800光學顯微鏡觀察接頭截面。

2 有限元模型

2.1 建模過程

有限元模型中,模型設置與試驗設置相一致。CFRP采用六層平紋編織鋪層板,利用CATIA數值軟件進行幾何建模。

自沖鉚過程中,沖頭及模具設置為剛體,金屬定義為各向同性材料屬性,鉚釘和鋁合金板的材料屬性如表2所示。沖頭與鉚釘之間的連接設定為固接。接觸為面-面接觸算法,鉚釘與CFRP、鋁合金板之間接觸定義為罰函數,系數取0.2。CFRP和鋁合金板約束方式為側邊全固定,模具為全固定,沖頭保留自由度U3,添加位移載荷,幅值為6.00 mm。對于鉚接過程中大應變網格扭曲模擬,單元類型設置為線性減縮積分單元C3D8R,自沖鉚釘及鋁合金板的全局網格尺寸均為0.15 mm,CFRP全局網格尺寸為0.10 mm。

表2 鉚釘及鋁合金材料屬性

2.2 材料模型

有限元模型數值計算過程中,CFRP和AA6061鋁合金分別采用失效模型和Johnson-Cook本構模型,利用VUMAT子程序在有限元中定義材料失效和本構模型。

2A10鋁合金是航空航天常用的鉚釘材料之一,屬于Al-Cu系硬鋁合金,通常經過淬火時效處理,屈服強度遠大于AA6061鋁合金。AA6061鋁合金為飛機蒙皮常用材料,自沖鉚過程中塑性力學特性采用Johnson-Cook模型[15]。

CFRP是典型各向異性材料,力學性能參數如表3表示,依據Hashin理論[16-17],建立CFRP本構模型如下式所示(下標1,2,3分別代表X,Y,Z方向)。

表3 復合材料力學參數

式中:Ei(i=1,2,3)為各方向彈性模量,Gij(i,j=1,2,3)為剪切模量,vij為泊松比,εij為各方向應變分量,算子

根據失效準則定義CFRP單元的損傷和失效,需要分別定義基體和纖維的損傷失效模型?；w拉伸損傷:

基體壓縮損傷:

纖維拉伸損傷:

纖維壓縮損傷:

式中:S12、S13、S23為1、2、3方向上的剪切強度,X1t、X1c、X2t、X2c為1、2方向上的拉伸和壓縮強度,σ11、σ22、σ33為正應力,τ12、τ13、τ23為切應力。對于CFRP沖壓斷裂過程,通過應力應變判斷材料是否發生損傷,依據損傷狀態,并更新計算應力,最后根據失效判據決定是否失效斷裂或更新應力應變。

3 結果與分析

3.1 自沖鉚接頭形貌

圖2 自沖鉚接頭形貌

3.2 CFRP和AA6061鋁合金接頭截面分析

圖3為CFRP(2 mm)和AA6061鋁合金(2 mm)SPR鉚接后接頭的截面形貌。從圖中可以看出,AA6061鋁合金板材在模具作用下成型,鉚釘與板材形成互鎖結構;CFRP內部纖維有明顯的斷裂、擠壓損傷,沿厚度方向損傷程度加劇。這是由于在鉚接過程中,鉚釘對CFRP產生剛性沖擊和擠壓,導致CFRP被壓碎。

圖3 自沖鉚接頭截面

為觀測CFRP內部纖維變形與損傷情況,選取接頭截面處釘頭與CFRP擠壓區R1、鉚釘內腔區域R2和釘腳區域R3作為觀察對象。R1區域,CFRP中的纖維因鉚釘頭部擠壓,沿鉚釘曲線產生彎曲變形,造成內部纖維斷裂。R2區域,由于鉚釘腔中空結構和模具凸臺作用,CFRP內部纖維呈現出倒“U”型斷裂。R3區域,在釘腳擠壓作用下,纖維的壓碎與斷裂情況最為嚴重,同時CFRP斷裂的纖維碎片進一步擠壓鋁合金板,導致鋁合金剩余厚度減小。

自沖鉚后的鉚接質量通常用鉚接質量參數殘余底厚、互鎖長度和鉚釘開口量定量表達[18]。殘余底厚大,代表鉚釘的刺入深度在安全范圍內,保證接頭的外觀、密封性和耐腐蝕性?；ユi長度和鉚釘開口量表明鉚釘的腿已完全打開,鉚釘與鋁合金板形成內部互鎖結構。

從圖3(a)可以看出,對于厚度分別為2.00 mm的CFRP和AA6061鋁合金的自沖鉚接頭,接頭殘余厚度為0.72 mm,互鎖長度為0.36 mm,鉚釘開口量為0.73 mm。接頭的鉚釘互鎖長度和殘余底厚均大于0.30 mm,表明接頭已形成有效鑲嵌互鎖結構。鉚接前,鋁合金板初始厚度為2.00 mm,由于鋁合金受到模具及CFRP擠壓作用,鋁合金板與模具凸臺形成緊密貼合,鉚釘腔下方區域的鋁合金板厚度減薄為0.33 mm。

圖4為自沖鉚過程中內部變形過程及應力分布情況,設定沖頭位移為H。沖頭位移為0.25H時,板材已固定,鉚釘刺入CFRP,釘腳下方區域的CFRP受壓凹陷。應力集中在上表面鋪層內同時沿CFRP厚度方向貫穿釘腳下側區域,鉚釘腳尖區域因與上板接觸存在應力集中;此外,鋁板在模具凸臺的作用下不斷發生擠壓變形,鋁合金板向下變形0.71 mm。沖頭位移為0.5H時,釘腳未穿透CFRP,鉚釘腔區域下側的鋁合金厚度變薄。鉚釘腔內部CFRP纖維逐漸彎曲呈倒“U”型,下板鋁合金沿模具形狀發生變形,整體呈“W”形,鋁合金形變量增加至1.37 mm。隨沖頭位移至0.75H,鉚釘刺穿CFRP,釘腳刺入鋁合金并逐漸張開,下板鋁合金填充至模具底部開始向外擴充。釘腳尖區域進入鋁合金板產生應力集中,該階段的應力主要分布在鉚釘腳區域和鋁合金板變形區域。

圖4 自沖鉚過程應力云圖

圖4(d)為鉚接結束后狀態,鋁合金沿模具底板向外擴充至1.36 mm,鉚釘開口量為0.68 mm,互鎖長度為0.39 mm,鉚釘與板材形成有效鑲嵌互鎖結構。鉚釘孔外側區域CFRP受釘頭作用向下彎曲變形與釘頭緊密貼合。鉚接完成時,釘腳尖與AA6061鋁合金之間的最大擠壓應力為2910 MPa。

由圖3(a)和圖4(d)可以看出,試驗結果與有限元模擬獲取的接頭截面具有一致性。表4為自沖鉚接頭截面幾何參數,試驗與有限元模擬截面尺寸相對誤差控制在10%以內,因此有限元模型可以有效模擬CFRP和AA6061鋁合金自沖鉚過程。

表4 接頭截面幾何參數

3.3 CFRP和AA6061鋁合金層間狀態

根據沖頭位移,分別選取CFRP的上表面鋪層1、下表面鋪層6探究鉚釘刺入及穿透損傷效果,選取鋪層4探究CFRP內部層間損傷狀態,選取鋁合金上表面探究鋁合金變形情況。鉚接過程CFRP層間與鋁合金應力云圖見圖5。

圖5 CFRP層間與鋁合金應力云圖

沖頭位移為0.25H時,鉚釘逐漸刺入CFRP但并未穿透鋪層1。此時釘腳與CFRP發生接觸,各鋪層內已產生應力,且應力在鋪層內呈圓環狀分布;鋁合金板應力主要分布在沿模具變形部位。沖頭位移為0.50H時,鋪層4處纖維未完全斷裂,且未斷裂纖維處存在應力集中現象。沖頭位移為0.75H時,鉚釘穿透CFRP,進入鋁合金開始向外擴張,鋁合金板應力主要分布在與鉚釘擠壓區域。

鉚接完成后,在擠壓作用下,釘頭下方弧形區域和鉚釘內腔區域內的CFRP與鋁合金表面緊密貼合,導致鉚釘孔內外圍區域CFRP鋪層內仍保留有部分殘余應力。

3.4 鉚接力分析

圖6為鉚接力隨位移變換曲線。由圖4可知,自沖鉚成形過程可分為三個階段:(1)壓緊階段,固定物料;(2)刺穿階段,鉚釘刺入上板;(3)成形階段,鉚釘刺穿上板,部分刺入下板并與下板形成有效互鎖結構。

圖6 鉚接力-位移曲線

壓緊階段前,由于鉚釘、模具與板材之間存在較小間隙,壓緊階段消除各部分之間的間隙,此階段鉚釘向下位移0.32 mm,鉚接力迅速增加后回落,CFRP和AA6061鋁合金異質板壓實。

當鉚釘下移至4.90 mm時,鉚釘逐漸穿透CFRP,該階段為CFRP刺穿階段,如圖4(c)所示。在該階段,隨著鉚釘下移CFRP斷裂失效,鋁合金板同時產生大應變率塑性變形。鉚接力緩慢線性增加,該階段鉚接力從壓緊時的3.1 kN增加至6.7 kN,鉚接力上升斜率為0.78 kN/mm。

進入成形階段,受模具幾何構形影響,鉚釘腳由向下運動轉換為向下與外擴組合變形,直至鉚釘腳部完全張開,如圖4(d)所示。該階段,鋁合金下板與模具之間的接觸面積逐漸增大并貼合,并伴隨劇烈的塑性變形,受此影響,鉚釘阻力急劇增大。當鉚釘下移6.00 mm時,自沖鉚接過程結束,鉚接力最大峰值為19.6 kN。該階段鉚接力上升斜率為11.7 kN/mm。

4 結論

(1)CFRP(2 mm)和AA6061鋁合金(2 mm)組合進行自沖鉚工作,接頭表面成形質量最佳,接頭殘余厚度為0.72 mm,互鎖長度為0.36 mm,鉚釘開口量為0.73 mm,形成有效鑲嵌互鎖結構。

(2)自沖鉚后,CFRP內部纖維呈現出倒“U”型斷裂,釘腳尖與鋁合金處最大擠壓應力為2910 MPa,殘余應力主要分布在鉚釘孔內外側的CFRP區域內。

(3)鉚接過程分為壓緊階段,刺穿階段和成形階段,鉚接力大小主要由鉚釘擴張成形狀態決定,鉚接力峰值載荷為19.6 kN。