碳纤维层合板与铝合金连接件的CAE分析

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研究与探索Research and Exploration ·探讨与创新
中国设备工程 2019.03 (上)
1 研究背景
汽车轻量化技术能够提高汽车动力性能，减少能量消耗，降低污染排放，实现良好的经济及社会环保效益。

目前公司正在重点发展新能源汽车，新能源汽车的整车重量相对较大，比能量和比功率仍然偏小，影响车辆续航里程。

轻量化技术则是提高续航能力的有效途径，因而新能源汽车对于轻量化技术要求更为迫切。

常见的轻量化材料分为金属和非金属两大阵营。

金属材料主要包括高强钢、铝合金、镁合金等；非金属材料包括工程塑料和复合材料等。

本研究选取金属材料铝合金和非金属材料碳纤维复合材料层合板（以下简称为碳纤维板）作为连接对象。

2 胶接件的测试及分析
胶接件测试是为了得到胶的性能参数以及其破坏过程参数。

分别做了铝合金与铝合金胶接，碳纤维板与碳纤维板胶接测试。

样件种类包括十字正交胶接样件、T 型胶接样件、三明治胶接样件，对应的测试类型均为拉伸测试。

铝合金原始样件图片及测试完成的样件图片如图
1。

图1 铝合金胶接样件，依次为十字正交、T 型胶接、三明治胶接
原始样件（上）及测试完成后样件（下）
两种材料胶接件的分析及对标过程一致，因此只介绍铝合金胶接件的分析及对标。

在CAE 软件中使用COS3D 单元来表示胶层，COS3D 单元可以用来预测胶层的剥离及剪切破坏，并能预测胶层破坏过程。

分析时首先要将铝合金及碳纤维板样件的测试及分析得到的样件材料参数带入胶接件CAE 分析中。

此外，由于最终的目的是将胶接数据用于铝合金及碳纤维板连接件的分析中，因此最终只取两种材料胶接性能较弱
碳纤维层合板与铝合金连接件的CAE 分析
孙亚轩，刘朝辉
（比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118）
摘要：由于节能环保的需要，汽车轻量化已成为必然趋势。

碳纤维及铝合金是汽车轻量化中经常用到的材料，两者均有密度小、比强度和比刚度高的特点。

当两者同时使用时，必然涉及到连接问题，目前比较常规的连接方式是螺栓连接及胶接。

连接位置通常是结构薄弱点，因此通过对连接件的CAE（Computer Aided Engineering）分析，预测连接位置的结构强度，对产品的设计意义重大。

关键词：碳纤维；铝合金；连接；测试；CAE
中图分类号：TG379 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）03（上）-0204-02
的数据。

铝合金十字正交拉伸测试及分析得到的数据如下图2所示，其中横纵坐标分别为位移及力数值，灰色线为测试数据，红色线为CAE 软件分析得到的数据。

两种线在横坐标的差距主要是由于测试时样件不能完全固定所致。

但两种线最高点位置基本一致，从而代表分析得到的胶层破坏极限值是正确的。

铝合金T 型拉伸测试及分析得到的数据如下图3所示，其中横纵坐标分别为位移及力数值，灰色线为测试数据，红色线为CAE 软件分析得到的数据。

两种线在纵坐标的差距主要是由于制备胶接样件时胶在边角的堆积所致，但两种线的
趋势基本一致，从而代表分析得到的胶层破坏过程是正确的。

图2 十字正交拉伸 图3 T 型拉伸测试
测试及分析数据 数据及分析数据
铝合金三明治剪切拉伸测试及分析。

由于该测试中几组数据比较分散，第3、5组样件是材料断裂，而非胶层破坏，因此最终只取了第1、2、4、6组数据进行对标。

从对比数
据可以看出，两种线略有差别，但总体趋势基本一致。

从而表明CAE 分析得到的胶层剪切破坏与实际测试的基本匹配。

碳纤维板胶接件的拉伸测试及分析过程与铝合金胶接件基本一致，通过以上的测试分析，最后得到的胶层破坏参数
表1 胶层破坏参数
金属-复材σ1Ⅰ10MPa G 1
0.007J/mm 2
σ1Ⅱ20MPa G Ⅱ
0.014J/mm 2
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中国设备
工程
Engineer ing hina C P l ant
中国设备工程 2019.03 （上）电网因雷击、台风、短路、误操作、发电厂故障及其他外部、内部原因造成电网短时间供电系统电压突然下降或上升，且超出正常的电压偏差允许值，然后又返回到正常的电压水平，茂名电网发生波动最多的是电压的突然下降，俗称“晃电”或“电压暂降”。

而电网“晃电”造成的机泵停车，会导致连续生产流程发生紊乱、产品不合格、非计划停工等损失，石化行业由于工艺要求复杂，安全生产连续性强，对产品质量要求高，晃电造成停车后，需要几天甚至十几天才能恢复正常生产，停工带来的直接和间接经济损失较大，并浅谈AVC 在变频驱动电机上的应用
梁力
（茂名天源石化有限公司，广东 茂名 525000）
摘要：电网“晃电”会对化工装置安全稳定生产造成很大影响，本文通过分析晃电造成化工装置变频电机停车的原因，提出了采用AVC（动态电压调节器）供电进行改造的具体措施。

以丙烯装置切粒机为例，经过生产运行实践的证明，采取这种技术改造措施能够有效降低电压波动对装置连续性生产造成的影响，使变频电机在出现电网瞬间电压波动时仍能继续正常运行，保证了装置安全生产的顺利进行。

关键词：晃电；变频电机；AVC（动态电压调节器）；技术改造
中图分类号：TM714.2 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）03（上）-0205-03
且可能带来严重的安全隐患。

1 “晃电”扰动来源分析
近年来，中国电力发展步伐不断加快，电网系统输电电压等级不断提高，网络规模不断扩大，形成大型甚至超大型的输配电网络架构。

此种架构型式有利于保证长期供电的稳定性，但由于输电距离长、范围广、耦合性强等因素致使构架中任意一点出现故障都会造成全网扰动，这是导致电压暂态扰动故障发生频次不断提高的原因之一。

电力系统的电压暂态扰动（俗称晃电），主要体现为3如表1。

其中σ1Ⅰ为胶层剥离强度，G Ⅰ为剥离能量，σ1Ⅱ为胶层剪切强度，G Ⅱ为剪切破坏能量。

3 连接件的测试及分析
连接件的测试及分析目的是为了对碳纤维板与铝合金的胶接及螺栓连接方式进行研究，同时验证CAE 分析的准确性，
为今后复杂结构的CAE 分析奠定基础。

通过之前的测试及分析，得到了铝合金以及碳纤维板的模量、强度以及断裂参数，并掌握了胶层的性能参数。

接下来将这些参数带入到CAE 软件中的连接件模型（如图4），进行虚拟拉伸测试。

图4 连接件CAE 分析模型
分析的最终断裂形式与实际测试基本一致，螺帽对碳纤
维板剪切破坏，发生穿透，铝合金板在连接位置发生弯曲，产生塑性变形。

整个过程的力及位移曲线（如图5），连接件拉伸过程如下：碳纤维板及铝合金发生弹性变形，然后胶层发生断裂，接着碳纤维板及铝合金变形增大，铝合金发生塑性变形，螺栓的螺母对碳纤维板发生剪切，逐渐破坏碳纤维板，直至螺母脱离而出。

从测试与分析得到的力及位移曲线可以看到，
胶层断裂时最大力的数值基本一致，曲线的基本趋势一致，表示分析得到的拉伸过程与实际测试的过程基本一致。

图5 连接件测试及CAE 分析得到的力位移曲线
4 结语
通过铝合金样件、碳纤维板样件、胶接件以及连接件的一系列测试，得到了材料参数、胶接性能参数、复合连接性
能参数，这些参数是结构设计的基础。

同步这些测试，做了CAE 分析，分析结果表明，在参数及边界条件准确的情况下，CAE 分析可以比较准确的预测实际结构的性能，为今后复杂结构的连接测试及分析打下基础。

参考文献：
[1]刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2004.[2]谢鸣九.复合材料连接[M].上海:交通大学出版社，2011.[3]廖日东.有限元法原理简明教程[M].北京理工大学出版社，2009.。