前言

在汽車輕量化的需求下，多材料混合設計在現代車身設計中變得至關重要。然而，不同材料的連線是一項具有挑戰性的任務，需要應用新的連線技術。自衝鉚接（SPR）與粘接相結合的混合連線技術廣泛用於車身鋼和鋁部件的連線。因此，需要建立數值模型對連線件的耐撞性等機械效能進行準確、有效的測試。目前，已有文獻對SPR和粘接在拉伸、剪下、剝離以及混合負載下的連線效能進行測試。但是對於複合連線則需要特定的實驗裝置在進行連線效能的測試，特別是對於鋼-鋁材料連線的車身在碰撞載荷下的連線效能表現。

本研究提出了一種用於粘接和SPR混合連線的多尺度測試方法。應用新的測試方法來表徵在張力、剪下和混合載荷下的連線效能（通過對兩個矩形板了連線成十字形樣品進行載入直至失效）。此外，還提出了一種用於測試鋼-鋁結構件連線效能的新型測試方法（使用粘合劑結合SPR連線兩個帽型部件，然後進行3點彎曲測試）。實驗樣品採用冷軋微合金鋼和6系鋁合金，通過熱固性環氧樹脂粘合劑和自衝鉚接進行連線。

粘接+SPR複合連線的效能表徵

1. 試驗裝置

採用兩個矩形板十字重疊，通過粘接、SPR、以及二者的複合連線技術進行連線（如圖1），並對連線件的機械效能進行研究。

粘接時需要將樣品在180°下固化20分鐘。考慮到熱處理可能會影響鋼板和鋁板的機械效能，因此鉚接的試樣也進行相同的熱固化。

採用如下圖2所示的新型實驗裝置對樣品在拉伸、剪下和混合載荷下的連線效能進行測試。新裝置的剛性設計確保了對載入模式和邊界條件的良好控制。

2. 實驗結果

圖3顯示了拉伸載荷下的力-位移曲線，結果顯示：當鉚釘被拉穿上板件發生失效時，自衝鉚接達到最大連線強度；粘接的初始強度較高，且在粘接試樣出現裂縫時達到最大連線強度。與鉚接相比，粘接的最大連線強度和位移有顯著低於自衝鉚接。而複合連線的試樣在承受載荷時，最先響應的是粘接的部分，粘合劑從一側開始失效，當裂縫傳播至樣品中心時，由於SPR的連線而停止繼續傳播。隨後，裂縫從另一側開始向中心點傳播。下圖4可以看到，連線失效時鉚釘從底板中被拉出，粘合劑層的失效主要是粘合劑和混合構型的內聚破壞。

下圖5顯示了剪下載荷下的力-位移曲線。採用自衝鉚連線的試樣在測試開始時幾乎呈線性增長。隨著力的增加，鉚釘開始旋轉，從底板拉出後導致連線失效。剪下載荷下的最大力顯著高於拉伸載荷下的力，鉚釘即使從底板拉出後也沒有觀察到力的突然下降，因為鉚釘被夾在兩個板之間。與鉚接樣品相比，粘接和複合連線樣品的初始強度都較高。剪下載荷導致粘合劑層內部的應力分佈更均勻，最大力約是拉伸載荷下的四倍。而失效的特點在於粘合劑層內的突然裂縫，導致失效。複合連線樣品失效位移表現優於粘接，與鉚接相當。

混合載荷下的力-位移響應如圖6所示。接頭的變形和失效與剪下載荷的情況相當。混合載荷載入下的接頭強度介於剪下和拉伸載荷之間。

創新複合連線測試模型

1. 實驗裝置

研究組開發了一種用於複合連線的新型測試裝置，通過粘接+SPR連線的兩個帽型部件（HP）進行3點彎曲測試（如圖7）。

SPR需要從部件的兩側進行連線，這可以通過HP部件開放的幾何設計來實現。測試部件均勻分佈了十個SPR鉚釘，粘接層的寬度為15mm，厚度為0.3mm。為建立精準的樹脂模型，需要採用不同負載進行廣泛的測試。因此，開發了兩種測試模式，如下圖8。

對兩種樣品配置進行準靜態實驗，圖8a鋼製件在上，鋁件在下；圖8b為剪下模式，鋁件在上，鋼件在下。上圖a中，當承受衝擊載荷時，頂部鋼製件發生彎曲，吸收能量，而底部鋁製件仍保持筆直狀態，不發生形變。這將導致連接面產生相對位移，連線部分出於預張緊狀態。上圖b中，頂部部件由較厚的鋁板製成，底部部件由較薄的鋼板製成，在承受衝擊載荷時，二者都發生了形變。

2. 實驗結果

圖10顯示了兩種試樣的力-位移曲線。在上圖a的常規模式下，在位置0處，粘合劑層內部開始裂縫。在位置1處的第一個SPR失效之前達到最大力（圖10a）。同時粘合劑層內的裂縫朝向試樣的中心傳播，以增加位移。在位置2至4處連續三個SPR連線失效（圖10b）。在上圖b的模式下，最大力略高於常規模式，當達到最大力時頂部製件開始彎曲。在位置0處，粘合劑層內部開始裂縫，裂縫朝向試樣中心傳播，以增加撞擊位移。圖10c顯示了在第一次SPR連線失效之前的剪下試樣。位置1到4（圖10d）共有四個SPR發生短暫連續的失效。底部製件在常規模式保持筆直，但在剪下模式下顯著彎曲，成功地將不同的載入模式引入連線中。因此，SPR連線的失效行為在兩個試樣配置之間顯著不同。

結論

本課題提出了一種新的測試方法，用於表徵在拉伸、剪下和混合載荷下的連線強度。通過對鉚接、粘合和複合連線試樣的準靜態試驗，結果表明：粘接表現出了更強的載荷響應和更低的失效位移，與SPR相比，在剪下載荷下粘接的強度更高。SPR連線在粘接失效後提供了進一步的承載能力，而粘合劑層的存在對SPR的連線沒有顯著影響。

提出了一種新的鋼-鋁連線效能測試的模型。試樣由兩個帽型件組成，通過粘接+SPR形成連線，在3點彎曲實驗中測試其失效模式。提出了兩種測試模型，一種用於常規受力，一種用於剪下受力。兩種模型都發生了不同形式的失效，因此，該測試模型非常適用於驗證複合連線的連線效能。

結果表明，創新測試方法可以可以成功建立複合連線的機械效能模型。但是，更為完整的表徵還將涉及更多且昂貴的測試程式。此外，連線效能很大程度上取決於材料組合，而隨著車身混合多材料的應用，這對連線效能測試也帶來了挑戰。而模擬的測試模型可實現高效的、多角度的表徵，且無需進行實驗，節省成本和時間。因此，這種模擬的測試模型將在未來的研究工作中廣泛應用。

multifunktionalen Leichtbau