多種材料在汽車上的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的有效手段,但不同材料之間的連接是亟待解決的問題。聚乳酸(PLA)是制造和使用過程均無污染的塑料材料,將該材料應(yīng)用在汽車上既滿足汽車輕量化要求,又能有效解決環(huán)保問題。隨著PLA及其復(fù)合材料制品在汽車上的推廣應(yīng)用,該材料與金屬板材等多種材料之間的連接亦亟待解決。本文以5052鋁合金與PLA為研究對象,針對PLA材料強度低、耐老化性能差以及鋁合金與PLA連接強度不高等問題。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者研究基礎(chǔ)以及項目需求,從鋁合金表面激光處理、中心復(fù)合設(shè)計優(yōu)化激光工藝參數(shù)、玄武巖纖維(BF)增強PLA、溫度老化和有限元仿真與應(yīng)用等方面展開面向汽車多材料輕量化的鋁合金-PLA一體化連接機理研究。具體研究工作包括以下幾個方面:(1)為了研究鋁合金表面特征對鋁合金-PLA連接強度的影響,在酸堿溶液去除鋁合金表面氧化膜的基礎(chǔ)上,以激光處理的方式獲得了具有微觀形貌的鋁合金。從宏觀力學(xué)性能和微觀形貌方面研究了鋁合金表面激光處理工藝參數(shù)(激光功率、掃描線寬、掃描速度)與鋁合金-PLA連接強度的相關(guān)性。結(jié)合鋁合金表面微觀組織形貌、粗糙度和鋁合金-PLA連接強度,分析了激光處理鋁合金表面對鋁合金-PLA連接強度增強的機理。結(jié)果表明,對于不同的激光功率,鋁合金-PLA連接強度隨著激光功率的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢;對于不同的掃描線寬,鋁合金-PLA連接強度隨著掃描線寬的降低而下降;對于不同的掃描速度,鋁合金-PLA連接強度隨著掃描速度的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。經(jīng)激光處理的鋁合金表面主要通過增加接觸面積、提高強化系數(shù)和機械咬合的共同作用,使得鋁合金-PLA的連接強度提高。(2)通過中心復(fù)合設(shè)計方法完成鋁合金-PLA連接試驗方案設(shè)計,基于多元非線性理論,建立了激光功率、掃描線寬和掃描速度與鋁合金-PLA連接強度的多元非線性回歸模型。采用逐步回歸迭代策略,分析了各激光工藝參數(shù)以及各工藝參數(shù)交互作用對鋁合金-PLA連接強度的影響。結(jié)果顯示,激光功率對鋁合金-PLA連接強度的影響最強,掃描線寬對鋁合金-PLA連接強度的影響次之,掃描速度對鋁合金-PLA連接強度的影響最弱。激光功率和掃描線寬的交互作用增加了連接時鋁合金與PLA的接觸面積,使得鋁合金-PLA連接強度顯著增強。掃描速度的作用是使蒸汽壓力與表面張力產(chǎn)生變化從而影響鋁合金-PLA連接強度。經(jīng)過試驗驗證得到模型預(yù)測值與試驗所得值基本吻合,此模型可有效預(yù)測鋁合金-PLA連接強度。而且發(fā)現(xiàn)鋁合金-PLA連接試樣失效的位置主要發(fā)生在PLA本身,失效的模式主要為內(nèi)聚失效。(3)為了提高鋁合金與PLA的連接強度,采用在PLA中添加BF獲得BF/PLA復(fù)合材料的方式對PLA進(jìn)行增強。獲得了不同BF含量的BF/PLA復(fù)合材料,研究了BF含量對BF/PLA復(fù)合材料-鋁合金連接強度的影響。通過SEM(Scanning Electron Microscope,掃描電鏡)分析了不同的BF含量BF/PLA復(fù)合材料的斷口形貌及規(guī)律,以DSC(Differential Scanning Calorimeter,差示掃描量熱法)分析了BF含量對BF/PLA復(fù)合材料結(jié)晶成核的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)BF含量為40%時,BF/PLA復(fù)合材料與激光處理鋁合金的連接強度最大為59 MPa。BF含量為40%時,結(jié)晶溫度為85℃,成核結(jié)晶率大幅提升。成核結(jié)晶率的提高直接導(dǎo)致了BF/PLA復(fù)合材料與鋁合金連接強度的增強。(4)以高溫85℃和低溫﹣35℃作為溫度老化條件,采用不同的時間間隔與周期,研究了高溫和低溫以及時間對BF/PLA-鋁合金連接強度的影響規(guī)律。結(jié)合DSC測試得到的結(jié)晶特性和SEM獲得的微觀特征,不同環(huán)境條件下,對BF/PLA-鋁合金連接強度隨老化時間變化情況進(jìn)行了分析和多種方式的擬合預(yù)測。結(jié)果顯示,BF/PLA-鋁合金連接強度隨著老化時間的增長而降低。高溫老化失效機理主要是使BF/PLA復(fù)合材料分解造成強度降低,低溫的失效機理是由于鋁合金與PLA之間膨脹系數(shù)不一致所產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成強度降低。通過對比擬合系數(shù),發(fā)現(xiàn)多項式函數(shù)能夠有效預(yù)測BF/PLA-鋁合金連接強度隨老化時間的變化。(5)通過對鋁合金-PLA連接的微觀形貌簡化建立了計算模型,采用Tie綁定和零厚度Cohesive單元方式對鋁合金-PLA連接強度進(jìn)行了有限元模擬。以車輛控制單元殼體為案例對鋁合金-PLA連接技術(shù)在輕量化上的應(yīng)用進(jìn)行了研究,結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化、模態(tài)分析和剛度分析得到了BF/PLA-鋁合金殼體,并試驗驗證了方案的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),以激光功率35 W處理獲得的矩形形貌鋁合金表面,獲得的鋁合金-PLA試樣連接強度最好,與中心復(fù)合設(shè)計分析以及試驗獲得的結(jié)果相吻合。零厚度Cohesive單元更能有效反應(yīng)鋁合金-PLA連接的真實情況,與試驗結(jié)果吻合度更高。通過對車輛控制單元殼體拓?fù)鋬?yōu)化獲得了最佳材料分布。通過模態(tài)和剛度分析,驗證了優(yōu)化的可行性。以40%BF和60%PLA最佳配比制備的BF/PLA復(fù)合材料與鋁合金連接完成殼體加工制作。經(jīng)過試驗驗證,BF/PLA-鋁合金連接殼體能夠滿足使用要求,達(dá)到8.9%的減重效果。該應(yīng)用案例證明了鋁合金-PLA連接技術(shù)在汽車多材料輕量化應(yīng)用上的可能性,為金屬-塑料一體化連接技術(shù)的推廣與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：U466
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文2續(xù)表技術(shù)類別具體內(nèi)容先進(jìn)工藝汽車鋼板：內(nèi)高壓成形、熱沖壓成形、輥壓成形、激光拼焊、不等厚軋制板等鎂合金/鋁合金：半固態(tài)成形、高壓鑄造成形、低（差）壓鑄造成形等復(fù)合材料：在線模塑成型、在線注射成型、在線模壓成型、RTM等連接工藝：激光焊接及激光釬焊、攪拌摩擦焊、鎖鉚及自鎖鉚技術(shù)、熱熔自攻螺釘、膠粘連接等輕量化材料的研究主要包括高強度鋼、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等。輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括整車及零部件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形狀/形貌優(yōu)化、基于多學(xué)科的多目標(biāo)優(yōu)化[6-9]。未來汽車用材與結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的發(fā)展趨勢如圖1.1所示。圖1.1未來汽車用材與結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展趨勢輕量化先進(jìn)工藝技術(shù)包括先進(jìn)制造工藝技術(shù)和先進(jìn)連接技術(shù)。在先進(jìn)制造工藝技術(shù)方面，主要包括：高強度鋼板熱沖壓成形、液壓成形、激光拼接焊成形，管材內(nèi)高壓成形等，鋁/鎂合金的半固態(tài)成形、高真空壓鑄、等溫鍛造等，復(fù)合材料在線模塑成型、在線注塑成型、在線模壓成型等。先進(jìn)連接工藝技術(shù)方面包括：激光焊接及激光釬焊、攪拌摩擦焊、鎖鉚及自鎖鉚技術(shù)、流鉆螺釘、膠粘連接等。汽車輕量化連接技術(shù)包括激光焊接、攪拌摩擦焊、鉚接技術(shù)、自鎖鉚、熱熔自攻螺釘以及膠粘連接等技術(shù)，通過先進(jìn)連接技術(shù)將輕量化構(gòu)件連接成零部件

置到注塑模具中完成加工成型。金屬-塑料一體化連接技術(shù)以其減重效果顯著、集成度高、強度高等優(yōu)點在車輛上得到應(yīng)用。Hoffmann 等[87]在梅賽德斯 MFA1平臺以如圖 1.4 所示的儀表臺橫梁研究了金屬-塑料一體化成型技術(shù)的適用性。采用激光處理的方式完成對金屬表面 GEO2 和 GEO3 兩個位置的自動化處理，塑料與金屬間的連接在聚酯胺成型過程中實現(xiàn)。按照 DIN ISO 1110 標(biāo)準(zhǔn)在室溫、﹣30℃和 100℃進(jìn)行了熱老化試驗，在相應(yīng)的 GEO2 和 GEO3 位置鋸出圓形節(jié)段，以 2 mm/min 的速度沿管方向測試了剪切強度，結(jié)果表明熱應(yīng)力和機械應(yīng)力沒有導(dǎo)致強度下降。

第1章緒論13如圖1.5所示為金屬-塑料一體化連接剎車踏板，剎車踏板的主體骨架由金屬材料制成，采用金屬-塑料一體化連接技術(shù)將塑料注入模型中完成加工成形[20]。金屬-塑料一體化連接技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了設(shè)計的自由度，而且在提高強度的同時達(dá)到了減輕重量的目的。圖1.5金屬-塑料一體化連接剎車踏板圖1.6金屬-塑料一體化連接防撞梁Chu等[88]以一種包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的多目標(biāo)輕量化評估方法，在材料成本（MC），總質(zhì)量（MA），沖擊能量吸收（EA），最大變形（MD）和峰值沖擊力（PF）以及易于制造性（EM）和可回收性（RE）對比分析了高強度鋼（HSS）、塑料-金屬混合（PMH）（如圖1.6所示）、玻璃纖維增強鋁板（GLARE）三種保險杠梁。通過該評價方法分析獲得三種防撞梁的次序是PMH>HSS>GLARE。Grujicic[89]深入研究了金屬與聚合物連接時的相互作用，對成型過程進(jìn)行了模擬，并討論了金屬-聚合物成型與汽車制造工藝的兼容性。結(jié)果顯示，該技術(shù)的應(yīng)用能夠在降低車輛重量的同時達(dá)到降低成本的目的。金屬與塑料一體化連接成型的緊密結(jié)合也表現(xiàn)在相關(guān)產(chǎn)品的氣密性及防水效果上，對于氣密性的研究得出，在高低壓壓差為49kPa的氦氣與氬氣氣體室，
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