(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111516638.7 (22)申请日 2021.12.13 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 李伟东　李丽丽　邵新愿　郑国君　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 代理人 苗青　王海波 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种用于C FRP-AL单搭接接头湿热老化性能 研究的有限元分析方法 (57)摘要 一种用于C FRP‑AL单搭接接头湿热老化性能 研究的有限元分析方法， 包 括： 1)根据Fickian第 二定律和各向同性材料传热过程确定水分扩散 系数D； 2)建立单搭接接头胶层水分扩散有限元 模型， 得到搭接接头胶层水分浓度分布情况； 3) 根据接头中水分浓度分布对经历不同老化时间 的胶层内聚力参数进行退化， 得到和吸湿浓度相 关的退化内聚力模型； 4)利用退化内聚力模型对 经历湿热老化的CF RP‑AL单搭接接头准静态拉伸 有限元模型进行断裂过程的分析， 模拟接头的失 效过程。 本发明可模拟接头的失效过程， 实现对 粘接结构服役寿命的有效预测。 本发明操作简 单、 开发成本低、 满足工艺需求； 可解决CFRP ‑AL 单搭接接头在湿热老化环境中寿命难以预测、 开 发周期长等问题。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 114372391 A 2022.04.19 CN 114372391 A 1.一种用于CFRP ‑AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法， 其特征在于， 包 括以下几个步骤： 第一步， 根据Fick ian第二定律和各向同性材 料传热过程确定水分扩散系数D； 第二步， 建立CFRP ‑AL单搭接接头胶层水分扩散有限元模型， 得到搭接接头胶层水分浓 度分布情况； 采用有限元仿真方法建立CFPR ‑AL单搭接接头胶层的有限元模型； 该单搭接接头由铝 合金、 碳纤维、 环氧树脂胶粘剂组成， 其中铝合金和碳纤维作为被粘基底， 作为粘接基底的 胶粘剂； 在定义材料属性时将比热容cv和密度ρ 的乘积设置为1； 基于CFPR ‑AL单搭接接头胶 层的有限元模型， 建立水分扩散有限元模型； 由于是对接头胶层水分扩散进行模拟， 碳纤维 板和铝合金板不做网格划分， 只对胶层区域进行网格划分， 网格单元采用八结点线性传热 六面体单 元； 对水分扩散有限元模型进行仿真模拟， 得到搭接 接头胶层水分浓度分布情况； 第三步， 根据得到的接头 中水分浓度分布对经历不同老化 时间的胶层内聚力参数进行 退化， 得到和吸湿浓度相关的退化内聚力模型； 采用双线性内聚力模型对单搭接接头胶层建模， 双线性内聚力模型的3个关键参数是 初始刚度E0、 临界牵引力σi,c和断裂能Gi,c， 其中σi,c(i＝I,II,III)代表不同加载模式下的 临界牵引力， Gi,c为胶层的断裂能； 混合加载模式下模态混合比例是通过三种加载模式下的 断裂能定义的； 胶层吸湿后， 将内聚力模型关键参数根据胶层 吸湿量不同做出相应退化， 得到退化内 聚力模型； 第四步， 利用得到的退化内聚力模型对经历湿热老化的CFRP ‑AL单搭接接头准静态拉 伸有限元模型进行断裂过程的分析， 模拟接 头的失效过程； 该过程需要建立CFRP ‑AL单搭接接头准静态拉伸有限元模型； 与第二步的建模过程相 似， 碳纤维板、 铝合金板和胶 粘区域的尺寸和材料属性设置相同， 不同的是该部 分需要对碳 纤维板、 铝合金板和胶粘区域都进行网格的划分， 并进行约束的定义； 具体如下： 首先， 完成碳纤维材料铺层方式， 碳纤维基底的网格划分采用扫掠网格划法， 网格采用 八节点四边形面内通用连续壳单元； 铝合金基底网格采用八节点线性减缩积分六面体单 元； 其次， 由于铝合金基底和CFRP基底之间的载荷传递通过胶层完成的， 所以胶层网格尺 寸相较于基底更为精细； 将搭接 接头中胶层网格设置为八节点 三维内聚力单 元； 再次， 碳纤维基底的一端采用固支端约束， 即Ux＝Uy＝Uz＝0， URx＝URy＝URz＝0， 胶层与 碳纤维基底和铝合金基底在搭接区域采用Tie约束绑定； 为了模拟单搭接接头在万能拉伸 试验机上的准静态拉伸实验过程， 铝合金基底一端的自由度通过运动耦合约束形式由参考 点控制， 在参 考点的拉伸方向上施加一个位移载荷Ux模拟准静态拉伸过程； 最后， 利用退化内聚力模型对经历湿热老化的CFRP ‑AL单搭接接头准静态拉伸有限元 模型进行断裂过程的分析， 模拟接 头的失效过程， 实现对 粘接结构服役寿命的有效预测。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114372391 A 2一种用于CFR P‑AL单搭接 接头湿热老化性能研究的有限元分 析方法 技术领域 [0001]本发明属于粘接结构性能仿真领域， 涉及一种用于CFRP ‑AL单搭接接头湿热老化 性能研究的有限元分析 方法。 背景技术 [0002]有限元分析(Finite  Element Analysis， FEA)是一种利用数学近似的方法对真实 物理系统(几何和载荷工况)进 行模拟的一种方法。 该方法使用较简单的问题代替复杂问题 进行求解， 不仅计算精度高， 而且能适应各种复杂形状， 因而成为行之有效的工程分析手 段。 随着计算机技术和计算方法的发展， 有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广 泛的重视和应用， 已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径， 其在机械制造、 材料加 工、 航空航天、 汽车和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。 目 前， 使用有限元软件对问题进 行数值模拟技术是提升产品质量、 缩短设计周期、 节约开 发成 本的一项 有效手段。 [0003]随着汽车轻量化的发展， 轻质合金和复合材料在汽车上的使用愈加广泛， 如何满 足工程条件的情况下将复合材料和金属轻质合金异质材料很好的连接起来成为一大难题。 传统解决异质材料连接的方法主要有螺栓连接、 铆接等， 但是这类连接方式需要在被连接 材料上面开孔， 从而破坏 被连接材料造成应力集中的问题。 相比传统机械连接方法， 粘接技 术在解决异质材料连接的问题上具有保持原有形状、 连接区域应力分布均匀和连接工艺简 单等优点， 所以在汽车工业得到广泛应用。 [0004]汽车在服役过程中常常处于恶劣环境(高温、 高湿、 辐射、 盐雾等)， 其中湿热老化 环境尤为常见， 湿热老化环境对于粘接结构的力学性能造成了巨大破坏， 为保证车辆在服 役过程中的安全性， 粘接结构在经历湿热老化之后需保持一定的强度， 因此对经历长期湿 热老化的复合材料 ‑轻质合金搭接接头的力学行为进行研究是很关键的。 目前已有许多针 对各种老化环境对胶粘剂和搭接接头的影响进行的研究， 但是由于复合材料结构的复杂 性， 有关碳纤维复合材料 ‑铝合金搭接接头在湿热老化环境下的力学行为研究很少。 随着碳 纤维复合材料和铝质材料的广泛使用， 为了缩短设计周期、 节约开 发成本， 对碳纤维复合材 料‑铝合金搭接接头在湿热老化环境下的力学 行为研究是十分有必要的。 发明内容 [0005]本发明主要对于CFRP ‑AL单搭接接头在湿热老化环境中性能退化、 寿命难以预测 等问题， 提供一种用于CFRP ‑AL单搭接接头湿热老化性能研究的有限元分析方法。 通过定义 水分扩散系数D， 采用数值仿 真方法对建立的CFRP ‑AL单搭接接头胶层水分扩散有限元模 型 进行模拟， 得到搭接接头胶层水分浓度分布情况。 然后根据接头中水分浓度分布对经历不 同老化时间的胶层内聚力参数进行退化， 得到和吸湿浓度相关的退化内聚力模型。 最后利 用退化的内聚力模 型对经历湿热老化的CFRP ‑AL单搭接接头准静态拉伸有限元模型进 行断说　明　书 1/7 页 3 CN 114372391 A 3