plain-woven玄武岩纤维增强聚合物在自冲铆接中的损伤机制与力学性能

《Materials Today Communications》：Damage Mechanisms and Mechanical Performance of Plain-Woven Basalt Fiber-Reinforced Polymer in Self-Piercing Riveting

喷焊自冲铆接技术用于平纹玄武岩纤维增强聚合物与铝合金的连接，通过实验与数值模拟分析损伤机制。研究发现，纤维损伤沿纤维方向线性分布，基体损伤从上层圆形过渡到下层方形，铆接 dies 类型对整体损伤影响较小但显著影响接头强度，可扩展 dies 可提高铆接质量。添加胶粘剂可提升峰值载荷但降低失效位移，主要因铆钉拉出导致。该模型为BFRP-Metal多材料结构优化提供了理论依据。

　　本文探讨了平纹编织玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）与AA5052-H34铝合金通过自冲铆接（SPR）连接的可行性，重点分析了BFRP在SPR过程中的损伤演化机制以及连接质量。随着汽车行业对轻量化、环保性和能源效率的追求日益增长，传统金属材料在满足这些需求方面存在局限性。相比之下，BFRP因其优异的比强度、耐腐蚀性和较低的生产成本，成为替代传统复合材料的重要候选材料。然而，关于BFRP在SPR工艺中的应用研究仍显不足，尤其是在损伤演化和机械性能方面的探索。本文通过实验测试与有限元建模相结合的方法，评估了BFRP与铝合金连接过程中损伤的发展和分布情况，为BFRP与金属连接的优化设计提供了理论依据和实验支持。

### 研究背景与意义

当前，汽车制造中广泛应用的复合材料主要以碳纤维增强聚合物（CFRP）为代表，因其出色的机械性能而受到青睐。然而，CFRP的高成本、回收难度和复杂的加工要求限制了其在大规模生产中的应用。因此，研究成本更低、环境友好且性能相近的替代材料成为行业发展的关键。BFRP作为一种来源于天然火山岩的复合材料，不仅具备与CFRP相似的机械性能，还具有更好的耐热性和延展性，使其在轻量化结构中具有显著优势。尤其是在多材料车身设计中，BFRP与金属材料的结合能够实现轻量化目标，同时带来结构性能的提升。然而，BFRP与金属连接的工艺方法仍需进一步探索，特别是在SPR工艺中，如何有效控制损伤演化并提高连接强度成为研究的重点。

### SPR工艺与BFRP连接的挑战

SPR是一种无需预先钻孔即可实现金属连接的高效工艺，因其良好的适应性和高效率被广泛应用于汽车车身制造中。对于复合材料，尤其是BFRP，SPR工艺面临诸多挑战。首先，BFRP的各向异性特性使得其在受到外部载荷时表现出复杂的损伤演化行为。其次，由于纤维和基体材料之间的界面特性，BFRP在SPR过程中容易出现分层、断裂等现象，从而影响连接的强度和耐久性。此外，铆钉类型和几何参数对连接质量也有显著影响，例如高互锁铆钉可能会在BFRP中引发孔洞撕裂，而不同类型的铆钉则可能影响应力分布和损伤演化路径。

### 实验设计与材料选择

本文选用8层平纹编织BFRP和2.0 mm厚的AA5052-H34铝合金作为实验材料，以模拟BFRP与金属连接的实际工况。铆钉采用硼钢制造，以确保其在连接过程中具备足够的强度和韧性。实验设计中，采用了三种铆钉类型：平头铆钉（PD）、管状铆钉（ED）和可扩展铆钉（FD）。通过对不同铆钉类型的实验对比，可以评估其对连接质量、损伤分布和机械性能的影响。此外，实验还涉及对BFRP铆接区域的截面分析以及拉剪测试，以进一步验证铆接效果和损伤演化机制。

### 有限元建模与损伤模型

为了准确模拟BFRP在SPR过程中的损伤行为，本文采用了基于3D-Hashin准则的渐进损伤模型，并通过ABAQUS软件中的VUMAT子程序实现。该模型能够描述BFRP在拉伸、压缩和分层等不同损伤模式下的行为，为连接过程中的力学响应和损伤演化提供预测依据。同时，模型中引入了粘结层以模拟BFRP与金属连接的协同作用，进一步提升了连接性能的分析精度。实验与模拟结果的对比表明，该模型能够有效预测连接的形成过程和损伤分布，但在某些细节上仍存在偏差，如实验中观察到的铆钉残渣未在模拟中体现，这可能与模型中采用的元素删除方法有关。

### 实验结果与分析

实验结果表明，SPR过程中BFRP的损伤主要集中在铆接区域。纤维损伤沿纤维方向呈线性分布，而基体损伤则表现出从上层的圆形分布向下层的方形分布转变的趋势。这一现象反映了BFRP在受到外部载荷时，纤维和基体之间的应力传递方式发生变化。同时，铆钉类型对损伤分布的影响较小，但对连接强度和破坏模式有显著影响。其中，可扩展铆钉因其独特的结构设计，能够有效促进铆钉腿的扩张和材料流动，从而形成更完整的互锁结构。然而，高互锁铆钉由于其较大的铆钉头高度，可能导致局部弯矩增加，进而影响连接强度。此外，实验还发现，粘结层的加入能够显著提高连接强度，但会降低破坏位移，导致铆钉从BFRP中拔出的破坏模式。这一结果揭示了粘结层在连接过程中的重要作用，同时也指出了其对连接耐久性的影响。

### 联合工艺的潜力与局限性

本文进一步探讨了SPR与粘结结合的联合工艺（SPR-bonded hybrid）在BFRP连接中的应用潜力。实验结果表明，粘结层的加入能够显著提升连接强度，但同时也限制了连接的破坏位移。这种联合工艺可能在某些应用场景中展现出优势，例如需要高连接强度的部件。然而，其在破坏位移方面的不足也限制了其在动态载荷条件下的适用性。此外，实验发现，FD类型的铆钉在连接过程中仍以铆钉从下层BFRP中拔出为主要破坏模式，这与PD和ED铆钉的破坏模式存在差异，进一步说明了铆钉类型对连接性能的显著影响。

### 损伤演化与连接质量的关系

从实验和模拟结果可以看出，BFRP在SPR过程中的损伤演化具有明显的空间分布特征。纤维损伤主要集中在铆钉头区域，而基体损伤则从铆钉腿周围开始扩展。这种损伤演化模式不仅影响连接强度，还可能对连接的疲劳性能产生负面影响。因此，优化铆钉类型和几何参数，以减少损伤集中并提高连接的均匀性，成为提高BFRP与金属连接质量的关键。此外，实验中观察到的铆钉拔出破坏模式表明，BFRP在受到剪切载荷时，其内部结构的完整性受到较大影响，进一步强调了在连接过程中对材料性能和工艺参数的综合控制的重要性。

### 研究结论与未来展望

本文通过实验与模拟相结合的方法，系统研究了BFRP与铝合金在SPR工艺中的连接性能和损伤演化机制。研究结果表明，BFRP在SPR过程中表现出多尺度、多模式的损伤机制，其复杂的变形行为对工艺参数具有高度敏感性。因此，未来的研究应关注如何通过多目标优化算法和动态工艺窗口设计，平衡损伤抑制与连接性能的需求。此外，进一步研究BFRP与金属连接的长期耐久性、疲劳性能以及在极端工况下的表现，将有助于推动BFRP在轻量化结构中的广泛应用。

综上所述，本文为BFRP与金属连接的SPR工艺提供了重要的理论支持和实验数据，揭示了BFRP在铆接过程中的损伤演化规律和连接质量的影响因素。这些研究成果不仅有助于优化BFRP与金属的连接工艺，也为轻量化多材料结构的设计提供了新的思路和方法。