CN108732090A - 一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置及测试方法 - Google Patents

一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置及测试方法 Download PDF

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慕文龙
谭伟
秦国锋
栾建泽
申浩
高原
吴懿融
杨佳宙
刘浩垒
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Abstract

本发明公开了一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,包括:固定板;多个第一连接件,其与固定板连接;多个粘接接头,其上端与第一连接件铰接;多个第二连接件,其与粘接接头的下端铰接;多个第一加载杠杆,其中心两侧对称设置多个加载孔,并通过加载孔与第二连接件铰接;第三连接件,其与第一加载杠杆的中心铰接;多个第二加载杠杆,其两端分别与第三连接件铰接;第四连接件,其与第二加载杠杆的中心铰接;第三加载杠杆,其两端分别与第四连接件铰接;第一拉力传感器,其上端安装在油缸的输出轴端部;下端与加载杆固定连接,加载杆下端与第三加载杠杆的中心铰接。本发明提供的粘接接头疲劳性能测试装置,能够调整粘接接头载荷比例。

Description

一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置及测 试方法
技术领域
本发明属于粘接接头疲劳性能测试技术领域,特别涉及一种车辆服役温度区间内的复合材料粘接接头疲劳性能测试装置及测试方法。
背景技术
通过使用新材料实现车身轻量化是解决汽车工业发展所带来的能源消耗和环境污染问题最为有效的解决途径之一。近年来复合材料(碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维增强复合材料)在汽车上的应用逐渐广泛。鉴于车身复杂性能和成本控制的要求,实现多种材料的混合使用是未来发展的必然趋势。然而不同材料之间的连接技术逐渐成为制约新材料应用的关键问题。粘接作为一种新型的结构连接技术,能够实现复杂结构、异种材料之间的连接,同时粘接结构具有承载面积大、应力分布均匀、疲劳性能优异等特点,在新材料车身连接中受到日益广泛的应用。
汽车在行驶过程中会受到来自多方面的动态交变载荷作用,导致车身粘接结构在长期服役过程中很容易发生疲劳破坏,从而严重影响车辆安全性。同时车辆在实际运行过程中,车身粘接结构往往还受到温度、湿度、盐雾和紫外线等因素的作用,不同环境因素对粘接接头性能存在较大的影响。考虑到可以采用密封胶和涂装等手段有效降低湿度、盐雾和紫外线的影响,因此,温度成为影响粘接结构性能的最主要因素。在复合材料粘接接头中,粘接剂和复合材料基底均为高分子材料,具有温度敏感性,在不同温度下其静、动态性能发生改变,特别是当温度接近材料玻璃转化温度Tg时,变化更为明显。因此,对粘接接头在车辆服役温度区间内的疲劳性能进行测试具有十分重要的意义。
现有的疲劳加载装置及测试方法主要针对常温条件,没有充分考虑温度的影响。同时现有装置通常只能对单一试件进行加载,而现有的疲劳性能测试方法不能实现一定温度范围内特定应力幅下的循环次数预测。
中国专利申请号:201710191457.9公开了一种多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置,通过采用多级杠杆结构,能够实现多试件不同温度、湿度条件下的动态加载试验。在疲劳性能测试过程中,为了使所获得的应力幅-疲劳循环次数(S-N)曲线更加准确,往往需要在多个水平的应力幅下进行试验。而使用该装置进行疲劳测试时,同批次7个试件所加载载荷大小一致,不可避免的造成试验时间过长,耗费成本巨大。当有接头发生疲劳断裂时,现有装置没有有效的停机措施,容易导致整体结构失稳,其他试件在异常载荷下继续试验或者由于承受载荷增大而发生断裂,影响试验效率及测试结果的有效性。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有粘接接头疲劳性能测试装置对每个试件施加的载荷大小一致,导致试验时间过长的技术缺陷,提供了一种能够改变加载位置,灵活调整粘接接头载荷比例的疲劳性能测试装置,其能够同时对不同应力水平的粘接接头进行疲劳试验,从而有效的提高粘接接头疲劳性能试验效率。
本发明的目的之二是提供一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法,可以实现特定温度和应力幅条件下的疲劳循环次数预测,从而为新材料车身粘接结构设计提供参考依据;同时,在疲劳测试过程中控制系统能够实时计算前后两次疲劳循环中的最大载荷之差绝对值,当判断其超过阈值时,则停止试验,克服了现有粘接接头疲劳测试过程中没有有效停机措施的技术缺陷。
本发明提供的技术方案为:
一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,包括:
环境箱,其上方固定设置油缸;
第一拉力传感器,其可拆卸的安装在所述油缸的输出轴端部;
固定板,其固定安装在所述环境箱内部顶板上;
多个第一连接件,其上端与所述固定板连接;
多个粘接接头,其上端与所述第一连接件的下端铰接;
多个第二连接件,其上端与所述粘接接头的下端铰接;
多个第一加载杠杆,其沿中心两侧对称设置多个加载孔,并通过所述加载孔与所述第二连接件的下端铰接;
其中,在所述第一加载杠杆的中心两侧分别设置一个第二连接件;
多个第三连接件,其上端与所述第一加载杠杆的中心铰接;
多个第二加载杠杆,其两端分别与所述第三连接件的下端铰接;
多个第四连接件,其上端与所述第二加载杠杆的中心铰接;
第三加载杠杆,其两端分别与所述第四连接件的下端铰接;
加载杆,其上端与所述第一拉力传感器固定连接,下端与所述第三加载杠杆的中心铰接。
优选的是,所述车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置还包括:
多个第二拉力传感器,其上端可拆卸的安装在所述固定板的下表面上,下端与所述第一连接件的上端固定连接。
优选的是,所述粘接接头为8个。
优选的是,所述第一拉力传感器量程至少为所述第二拉力传感器量程的8倍。
优选的是,所述连接件均为U型连接件。
优选的是,所述拉力传感器的下端与所述环境箱顶板的距离至少为200mm。
优选的是,所述第一加载杠杆中心两侧至少分别设置3个加载孔。
优选的是,所述第一加载杠杆中心两侧的加载孔为等距分布。
一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法,使用所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、测取不同温度下的粘接接头应力幅S与循环次数N之间的关系,得到温度Ti下的S-N曲线函数:
S=Ai+Bi lgN;
其中,Ai、Bi为疲劳参数;i=1,2,…n;
步骤2、根据不同温度下的疲劳参数变化规律,将疲劳参数A,B拟合成关于测试温度的函数,A=g(T);B=h(T);则:
S=g(T)+h(T)lgN;
步骤3、施加实际载荷,计算粘接接头危险点应力值S;根据温度T和所述应力值S得到粘接接头实际疲劳循环次数Nreal
优选的是,在所述步骤1之前还包括:计算温度影响系数R,并根据所述温度影响系数R对计算过程进行修正,所述温度影响系数R为:
其中,Sf为准静态失效强度;Sf(25)为常温25℃时的准静态失效强度。
优选的是,如果在两次疲劳循环中,第二拉力传感器所采集的最大载荷之差绝对值超过100N,则控制系统发送信号停止试验。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供的车辆服役温度区间内的复合材料粘接接头疲劳性能试验装置,与现有疲劳试验装置相比,不仅能够测试常温下的接头疲劳性能,而且能够进行一定范围内特定温度条件下的疲劳试验,从而为建立服役温度区间内的疲劳性能测试方法提供基础。
2、采用杠杆加载原理,本发明提供的测试装置能够同时对多个粘接接头进行疲劳试验,而且通过改变加载位置,可以灵活调整接头载荷比例,实现等比例加载或不同比例加载,同时对不同应力水平的接头进行疲劳试验,从而有效的提高粘接接头疲劳性能试验效率,减少成本消耗。
3、本发明提供的测试装置每个粘接接头分别与一个拉力传感器相连,在疲劳试验过程中,传感器持续采集施加到接头上的载荷。控制系统实时计算前后两次疲劳循环中的最大载荷之差绝对值,当判断其超过阈值时,则停止试验。采用上述方法,在某侧接头发生断裂时,本装置能够及时停止试验,从而防止另一侧接头由于载荷突然增大也发生断裂。同时也能够对加载装置及环境箱起到保护作用,避免由于结构失稳而造成破坏。
4、本发明提供的测试装置通过力传感器与控制系统相结合,能够在试验过程中实时监控加载载荷,并进行调整。防止在不同温度下,由于接头蠕变或者粘接剂、复合材料变形等原因造成载荷波动,保证试验加载的稳定性。
5、本发明所提供的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法能够有效的测试不同温度下的粘接接头疲劳性能,获得温度对复合材料粘接接头疲劳性能的影响规律。在此基础上,通过结合有限元仿真分析,可以实现特定温度和应力幅条件下的疲劳循环次数预测,从而为新材料车身粘接结构设计提供参考依据。
附图说明
图1为本发明所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置示意图。
图2为本发明所述的粘接接头连接示意图。
图3为本发明所述的第一加载杠杆示意图。
图4为本发明所述的固定板示意图。
图5为本发明所述的不同温度下粘接接头准静态失效强度拟合曲线及优度图。
图6为本发明所述的40℃、25℃、80℃条件下的复合材料粘接接头S-N曲线。
图7为本发明所述的粘接接头有限元模型示意图。
图8为本发明所述的服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供了一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,主要由加载装置、湿热环境箱以及相应控制系统组成。
如图1-4所示,加载装置主要由油缸110、上支撑板120、支撑柱130、下支撑板140、固定板160、第一拉力传感器170、第二拉力传感器180、加载杆190、第一连接件210、粘接接头220、第二连接件230、第一加载杠杆240、第三连接件250、第二加载杠杆260、第四连接件270、第三加载杠杆280、第五连接件290。其中,所述第一连接件210,第二连接件230,第三连接件250,第四连接件270,第五连接件290均为U型连接件。
固定板160,其设置在所述湿热环境箱150内部顶板上;上支撑板120、下支撑板140、固定板160由四根支撑柱130连接,油缸110固定安装在上支撑板120上。固定板160上设有多个螺栓孔,第二拉力传感器180的上端通过螺纹可拆卸的安装在所述固定板160的下表面上,第二拉力传感器180下端与所述第一连接件210的上端通过螺纹固定连接。粘接接头220,其上端通过销轴与所述第一连接件210的下端连接;第二连接件230,其上端与所述粘接接头220的下端铰接;第一加载杠杆240,其中心两侧对称设置多个加载孔241,两侧的加载孔241等距分布,并通过所述加载孔241与所述第二连接件230的下端使用销轴连接。第三连接件250,其上端与所述第一加载杠杆240的中心通过销轴连接;第二加载杠杆260,其两端分别与所述第三连接件250的下端通过销轴连接。第四连接件270,其上端与所述第二加载杠杆260的中心通过销轴连接;第三加载杠杆280,其两端分别与所述第四连接件270的下端通过销轴连接。第一拉力传感器170,其上端与所述油缸110的输出轴端通过固定连接;第一拉力传感器170的下端与加载杆190的上端通过螺纹连接,加载杆190的下端与第五连接件290的上端通过螺纹固定连接,第五连接件290的下端与第三加载杠杆280的中心通过销轴连接。
其中,所述第一加载杠杆240的中心的两侧分别与一个第二连接件230铰接,即第一加载杠杆240左右侧各加载一个粘接接头220,针对试验载荷要求,可以通过改变粘接接头220的加载位置,实现不同的载荷分配,灵活调整加载比例。在固定板160上与加载孔241对应位置开有螺纹孔,用于改变力第二拉力传感器180的位置。第一加载杠杆240及固定板160,分别如图3、图4所示。为了有效增加载荷的调节范围,在保证一定操作空间的基础上,单侧加载位置应不小于3个。在本实施例中,粘接接头220共为8个,中心连接孔直径为15mm,加载孔直径为10mm,左右两侧加载孔各3个。
油缸110所产生的动态载荷,经由第一拉力传感器170、加载杆190以及第五连接件290、第三加载杠杆280、第四连接件270、第二加载杠杆260、第三连接件250传递至第一加载杠杆240,并最终作用于粘接接头220。
所述油缸110、第一拉力传感器170、第二拉力传感器180与控制系统相连,形成闭环控制。其中,第二拉力传感器180用于实现接头断裂时停机。在测试实验过程中,控制系统持续采集传感器力值,当发现前后两次疲劳循环中,第二拉力传感器180所采集的最大载荷之差绝对值超过100N,则控制系统发送信号停止试验,从而有效的实现接头断裂时停机;第一拉力传感器170用于监控所加载的实时载荷,第一拉力传感器170量程为第二拉力传感器180量程的8倍或以上。为了防止第一拉力传感器170由于环境箱150内温度的影响而发生零飘,影响测量精度,应保证第一拉力传感器170下表面距离环境箱150上表面至少200mm。
本发明还提供了一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法,如图8所示,包括以下步骤:
步骤1、选择粘接剂及复合材料粘接基材,制作粘接接头。针对车辆服役环境中的温度区间范围(-40℃~80℃),并参考粘接剂玻璃转换温度Tg,选取-40℃、25℃和80℃作为典型温度,分别测试不同温度条件下粘接接头准静态失效强度(加载速率为1mm/min)。测得三种温度下粘接接头的失效强度分别为35.6MPa、29.32MPa、9.50MPa。根据失效强度随温度的变化规律,采用二次多项式作为拟合函数。拟合曲线及拟合优度如图5所示,获得准静态失效强度函数如式(1)所示:
Sf=33.59-0.13T-2.18×10-3T2 (1)
步骤2、计算温度影响系数R:
步骤3、利用本发明所设计的装置进行疲劳试验,加载频率为10Hz,载荷比(最小载荷与最大载荷的比值)为0.1。得到应力幅S与循环次数N之间的关系函数,在典型温度下的S-N曲线函数为:
S=Ai+BilgN; (3)
分别测取粘接接头在-40℃、25℃和80℃条件下S-N曲线,不同温度下的S-N曲线如图6所示,
即-40℃时,A=58.99,B=-5.41,S=58.99-5.41lgN;
25℃时,A=47.09,B=-4.38,S=47.09-4.38lgN;
80℃时,A=13.83,B=-1.23,S=13.83-1.23lgN;
其中,A、B为疲劳参数。
步骤4、提取不同温度下S-N函数参数,基于最小二乘法,将疲劳参数A、B拟合成关于测试温度的函数。根据参数随温度变化规律,选取二次多项式函数作为拟合目标函数。获得函数关系如下(拟合优度R2分别为0.9995、0.9996):
A=54.63-0.23T-3.48×10-3T2 (4)
B=-5.07+0.02T+3.42×10-4T2 (5)
将公式(4)、(5)带入公式(3),从而获得整个服役温度区间内的疲劳循环次数函数,如式(6)所示:
步骤5、根据温度影响系数R对计算过程参数进行修正,计算粘接接头危险点应力值,并根据求得的危险点应力值计算粘接接头实际疲劳循环次数Nreal
在一实施例中,采用有限元模型进行粘接接头危险点应力值计算。如图7所示,建立粘接接头有限元模型(节点数为35000、单元数目为2500)。以实际温度为50℃为例,将实际温度带入公式(2),得到温度影响系数R=0.74,并通过将原始内聚力本构参数与影响系数相乘,获得修正后本构参数,参数修正结果如表1所示。同时,在对内聚力本构参数修正后的有限元模型中施加实际疲劳载荷最大值10820N(50℃准静态失效载荷的80%),计算得到粘接接头危险点应力值为17.05MPa。将温度与粘接接头危险点应力值带入公式(6),从而获得粘接接头实际疲劳循环次数Nreal=254630,最终实现粘接接头在服役温度区间内的疲劳性能测试及特定条件(温度、应力幅)下的循环次数预测。
表1内聚力本构参数修正表
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,包括:
环境箱,其上方固定设置油缸;
第一拉力传感器,其可拆卸的安装在所述油缸的输出轴端部;
固定板,其固定安装在所述环境箱内部顶板上;
多个第一连接件,其上端与所述固定板连接;
多个粘接接头,其上端与所述第一连接件的下端铰接;
多个第二连接件,其上端与所述粘接接头的下端铰接;
多个第一加载杠杆,其沿中心两侧对称设置多个加载孔,并通过所述加载孔与所述第二连接件的下端铰接;
其中,在所述第一加载杠杆的中心两侧分别设置一个第二连接件;
多个第三连接件,其上端与所述第一加载杠杆的中心铰接;
多个第二加载杠杆,其两端分别与所述第三连接件的下端铰接;
多个第四连接件,其上端与所述第二加载杠杆的中心铰接;
第三加载杠杆,其两端分别与所述第四连接件的下端铰接;
加载杆,其上端与所述第一拉力传感器固定连接,下端与所述第三加载杠杆的中心铰接。
2.根据权利要求1所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,还包括:
多个第二拉力传感器,其上端可拆卸的安装在所述固定板的下表面上,下端与所述第一连接件的上端固定连接。
3.根据权利要求2所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,所述粘接接头为8个。
4.根据权利要求3所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,所述第一拉力传感器量程至少为所述第二拉力传感器量程的8倍。
5.根据权利要求1或4所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,所述连接件均为U型连接件。
6.根据权利要求5所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,所述拉力传感器的下端与所述环境箱顶板的距离至少为200mm。
7.根据权利要求1所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,所述第一加载杠杆中心两侧至少分别设置3个加载孔。
8.一种车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法,使用如权利要求1-7所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试装置,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、测取不同温度下的粘接接头应力幅S与循环次数N之间的关系,得到温度Ti下的S-N曲线函数:
S=Ai+Bi lg N;
其中,Ai、Bi为疲劳参数;i=1,2,…n;
步骤2、根据不同温度下的疲劳参数变化规律,将疲劳参数A,B拟合成关于测试温度的函数,A=g(T);B=h(T);则:
S=g(T)+h(T)lg N;
步骤3、施加实际载荷,计算粘接接头危险点应力值S;根据温度T和所述应力值S得到粘接接头实际疲劳循环次数Nreal
9.根据权利要求8所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法,其特征在于,在所述步骤1之前还包括:计算温度影响系数R,并根据所述温度影响系数R对计算过程进行修正,所述温度影响系数R为:
其中,Sf为准静态失效强度;Sf(25)为常温25℃时的准静态失效强度。
10.根据权利要求8或9所述的车辆服役温度区间内的粘接接头疲劳性能测试方法,其特征在于,如果在两次疲劳循环中,第二拉力传感器所采集的最大载荷之差绝对值超过100N,则控制系统发送信号停止试验。
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