车身结构中的结构粘接

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用于车身结构粘合的粘合剂接缝

现代汽车车身中使用了15至18千克的粘合剂。经验表明,除了焊接之外,使用粘合剂可以显著提高车辆在碰撞测试中的表现。使用粘合剂有可能在降低车身重量的同时保持车辆良好的碰撞安全性。粘合技术的另一个巨大优势是它对所连接的车身部件的干扰较小。这意味着粘合连接非常适合客户可见的外部车身零件,如车门、车顶或发动机罩。此外,作为一种典型的防腐策略,粘合接缝被用作间隙中的防潮密封。考虑到现代汽车车身是采用混合材料组装的,经典的焊接技术将不再有效,粘合剂连接变得更加重要。

自20世纪90年代末以来,基于环氧树脂的1K粘合系统已成为汽车车身结构的标准。这些粘合剂在高于150°C的温度下快速固化。在生产过程中,在特殊阶段施加热量以固化涂覆的涂层和粘合剂材料。例如,在电泳后,湿车身通过一个长的热风油漆烘炉并加热至约200℃的温度水平。烘干过程持续约一小时。在加热期间,1K粘合剂发生化学变化并达到其最终所需的机械稳定性。为了使刚度最大化,结构粘合剂材料需要高杨氏模量值,优选薄层。

设计涂装烘炉的挑战

显示车身部件粘合连接失败的图像
胶粘剂连接失效

现代混合设计的车身,如钢、铝或碳纤维增强材料的结合,是目前汽车生产的主要挑战。使用混合材料的几家主要汽车制造商最近已在汽车换代中设法将汽车重量减轻了100千克。然而,混合不同的材料意味着混合不同的热膨胀系数。这导致在涂装烘炉中的加热和冷却期间会出现问题,因为热应力会导致外表面的变形和凹痕。最坏的情况是热应力导致粘合线失效。

模拟用于预测车身温度分布,粘合剂的固化和在油漆干燥过程中产生的变形。涂装工艺工程师可以评估结果,选择合适的粘合材料或进行可能的预处理工艺变更。设计目标是在保证粘合剂充分固化和油漆烘干的同时最大限度地减少永久变形。

THESEUS‑FE UMAT用于Abaqus和耦合热机械仿真

车辆通过涂装烘炉期间,车体温度的预测是THESEUS‑FE Oven模块的任务。对于机械仿真,我们依靠Dassault Systèmes的机械求解器Abaqus来求解变形和应力。使用Abaqus内置材料模型无法充分分析粘合材料的高度复杂的表现。因此,我们与行业伙伴密切合作,为Abaqus开发了一个材料用户子程序(UMAT)。该用户材料采用先进的模型方程来处理聚合物材料。使用车体上每个位置的温度,确定粘合剂材料的局部固化水平和粘弹性。只要聚合物未固化,塑性变形就会积聚并存储在材料模型中。

粘合剂材料参数的测定

图示粘弹性材料特性如粘度、凝胶点和剪切刚度随时间和温度变化的曲线图
一些聚合物材料性质的定性行为取决于温度和时间

汽车制造中使用的粘合剂材料通常是具有高度复杂的热机械性能的聚合物材料。为了正确模拟它们用于车身粘合时的表现,必须确定几种材料属性,以便用数学模型充分描述它们。所需的材料属性包括:

  • 预测任何温度下固化水平的化学反应模型参数
  • 玻璃化转变温度取决于固化水平
  • 凝胶点
  • 热膨胀系数
  • 固化收缩系数
  • Prony系数和温度漂移函数
用于确定用户材料所需材料参数的DSC测量仪图像
Netzsch的DSC(差示扫描量热仪)仪器适用于确定一些必要的材料参数

通常用于确定必要材料参数的仪器是:

  • DMA(动态力学分析仪)
  • DSC(差示扫描量热仪)
  • 流变仪
  • 膨胀计

其中一些仪器可以互换使用,以确定某些材料特性。通过我们公司的实验室,我们也提供测量和表征聚合物的工程服务项目。有关我们测量服务的更多信息, 请联系我们。

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Adhesive Simulation and Measurements [english, 2.2 MB]
S. Paulke
P+Z Engineering

January 15, 2019