摘要：隨著汽車複合材料的應用日益廣泛，複合材料汽車零部件之間的組合裝配以及複合材料部件與金屬構件間的連線成為了不可避免的問題，汽車行業傳統金屬零部件之間的連線方式已不能適應客觀需求，在此情況下，我們有必要了解和不斷改進汽車複合材料的連線和固定方式，並進行合理選擇。本文透過對汽車區域性典型結構進行分析討論，總結出幾種適用於汽車碳纖維複合材料零部件裝配連線的常規設計方法及思路。
1 引言
汽車輕量化技術是節省能源、提高車輛行駛效能的有效方法之一，也是國內外汽車製造商追求的關鍵技術目標之一，複合材料在汽車輕量化中的地位舉足輕重。由於其成型工藝相較於金屬成型工藝的特殊性，考慮到在設計、工藝、維修、運輸等方面的需求，並從製造、裝配、使用和維護的實際需要出發，複合材料結構還保留著大量的設計分離面和工藝分離面，這些分離面需要在裝配階段與其他複合材料結構件或金屬結構件進行裝配連線。與金屬結構相比，複合材料具有層間剪下強度低、抗衝擊能力差等弱點，決定了其結構的裝配連線難度大、技術要求高的特點。合理選擇並運用複合材料的連線方式，是提高複合材料結構件強度、減輕結構重量、充分發揮複合材料優異特性的重要條件之一。
本文透過對汽車區域性結構的典型例項進行描述分析，總結出幾種適用於汽車連續碳纖維複合材料零部件裝配連線的設計技術，即機械連線、膠粘連線和兩種方式的混合連線3種方法。
2 連線方式選擇
在複合材料連線設計技術中，選用何種連線方法，主要根據實際使用要求而定。一般來說，除了考慮到傳遞載荷的大小、連線部位的重要程度、被連線件的材料特性等因素外，還要從環境狀況、可檢測性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和製造成本等方面進行考慮。下面列出了機械連線、膠接及混合連線的應用特點及範圍，如表2。1所示。
表2。1 不同連線方式應用特點及使用範圍
3 連線設計
3.1機械連線
複合材料的機械連線是指將複合材料被連線件區域性開孔，然後用鉚釘、銷釘、螺栓等將其緊固連線成整體。在複合材料的連線中，機械連線仍是主要的連線方法。機械連線設計除了要考慮選擇何種緊韌體及連線形式外，還要對連線幾何引數、連線區的鋪層、防電偶腐蝕等方面進行詳細分析設計。
機械連線中幾何引數的定義，如圖3。1所示。
圖3。1機械連線幾何引數
為防止複合材料機械連接出現低強度破壞模式，並具有較高的強度，被連線板的幾何引數一般應按表3。1進行選取。
表3。1機械連線中幾何引數的選擇
連線區的鋪層設計需考慮孔周有較大的應力集中，這將明顯降低機械連線的承載能力。為提高複合材料機械連線的強度和柔性，連線區的鋪層設計一般應遵循以下原則：
a） 採用均衡對稱鋪層。採用均衡對稱鋪層可以消除由複合材料沿纖維方向和垂直纖維方向的熱膨脹係數不同而在加溫固化時所產生的內應力及由此而產生的翹曲；
b） ±45°層比例不低於40%，0°層比例不低於25%，90°層比例10～25%；
c） 相同方向的鋪層，沿層壓板厚度方向應儘可能地均勻散開，使相鄰層纖維間夾角最小；
d） 連線區區域性加厚，保證連線區有足夠的強度；
e） 層壓板表面鋪設±45°層，可以改善層壓板的抗壓和抗衝擊性能，表面鋪設0°層有利於傳遞載荷；
f） 應避免在連線區拼接纖維；
g） 在載荷過渡區，中面兩側應有等量的+45°和-45°層。
在機械連線設計中，應採用可靠的防電偶腐蝕措施。應該重視溼裝配的作用，因為溼裝配不僅可以防腐，尤其對鉚接中難以完全避免的工藝損傷有彌補作用。常用的防護措施是在複合材料與金屬構件的接觸部位鋪覆一層玻璃布，塗膠或塗漆等，如圖3。2所示。重要或易腐部位，應該採取接頭全密封的方法來防腐。此種連線方式也屬混合連線。
圖3。2 緊韌體防電偶腐蝕設計
3.2膠粘連線
複合材料的膠接是指藉助膠粘劑將零件連線成不可拆卸的整體，是一種較實用、有效的連線工藝技術，在複合材料結構連線中應用較普遍。膠粘連線除了要考慮選擇何種膠粘劑與結構連線形式外，粘接接頭的設計好壞同樣將直接影響到粘接效能和強度。
汽車複合材料結構膠粘劑通常使用環氧樹脂、聚氨酯樹脂和丙烯酸酯樹脂為基礎的三大類粘結劑，該三大類粘結劑在使用中也各具特點，應該針對不同的材料和使用要求進行不同的選擇。
膠粘連線接頭的結構設計形式也是多種多樣的，根據被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據材料的粘接方式又可分為對接、搭接、插接、階梯搭接等等。從接頭形式看，一般認為插接結構比較理想，其次是搭接和斜搭接。但在實際應用中，主要根據被粘接製品的結構和需粘接的部位而具體確定。
膠接連線幾何引數的定義，以承受拉伸載荷P的等厚度單搭接連線為例，其連線幾何引數是：被膠接件厚度t、膠層厚度h和搭接長度L。
圖3。3膠粘連線幾何引數
被膠接件厚度t通常由需傳遞的載荷P來確定。膠層厚度h對連線強度有一定影響。增加膠層厚度，可以減小應力集中，提高連線強度；但厚度過大易產生氣泡等缺陷，反使強度下降，膠層薄則要求被膠接件間貼合度高，因而也不宜過薄，一般以0。2～0。5mm為宜。膠粘區域搭接長度L一般以15～20mm為宜。
3.3混合連線
將膠接與機械連線結合起來，從工藝技術上嚴格保證兩者變形一致、 同時受載，其承載能力和耐久性將會大幅度提高，可以排除2種連線方法各自的固有缺點。混合連線主要用於提高破損安全性、膠接連線的維修、改善膠接剝離效能等。
選用韌性膠粘劑，以便膠接的變形與機械連線的變形相協調。通常機械連線的變形總是大於膠接的變形（指面內變形），要滿足這一要求相當困難。
緊韌體與孔的配合精度要高。如果膠層很脆，且緊韌體與孔的配合又不夠精密，那麼連線試件的剪下變形就較大，將先引起膠層的剪下破壞，繼而引起緊韌體的剪下破壞或孔的擠壓破壞，達不到預期的效果。
金屬-複合材料混合結構連線設計一般按照全複合材料連線設計的要求。全複合材料一般不推薦採用干涉配合。但在金屬-複合材料-金屬混合結構中，可以採用適當的干涉配合來提高金屬的疲勞效能。
4 工程設計例項
波客公司具有非常豐富的複合材料連線設計技術及專案開發經驗，已經為國內各大汽車整車廠及研發中心提供過非常多的連線設計方案，下面將舉例介紹汽車典型結構的連線設計應用。
在某車型複合材料後側圍外板與門檻縱梁的連線設計中，考慮到連線處為車體主承力結構，承載較大，並可拆卸，故採用螺栓連線方式，如圖4。1所示。螺栓及螺母下面放置墊圈，減少孔邊周圍的損傷，防止過大的擰緊力矩造成複合材料結構表面出現凹坑和裂紋等缺陷。
圖4。1 機械連線設計例項
圖4。2是波客公司為某整車廠進行復合材料前後蓋的開發專案例項，由於車身外覆蓋件承載較小且厚度較薄，採用膠粘連線方式即可滿足強度要求，前引擎蓋及後行李箱蓋內外板間採用邊緣膠粘密封連線設計，內板加強筋條翻邊與外板也進行粘接處理。
圖4。2 膠粘連線設計例項
在某車型複合材料後行李箱蓋內板加強板的連線設計中，考慮到區域性膠粘連線失效，並保證破損安全，採用膠螺混合連線的方式進行設計，如圖4。3所示。加強板與內板區域性貼合面先採用膠粘連線，在膠粘劑未固化時立即進行螺栓連線，節省裝配時間，實現批次化生產。
圖4。3 混合連線設計例項
5 結論
波客公司透過大量相關產品研發專案實踐經驗可知，以上所述三種連線設計技術可以滿足當前碳纖維複合材料產品設計及開發需求，對於不同連線方式的選擇需要根據構件的具體使用情況和設計要求來確定。隨著汽車複合材料產品的輕量化指標及批次化生產程序的發展，複合材料連線設計技術還有很多地方需要不斷進行更新和完善，對推動新能源汽車產業化具有重大的意義。
