Методика улучшения параметров кузовов легковых автомобилей на стадии проектирования за счет применения в них клеевых соединений с заданными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лю И

• Лю И
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Лю И

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса по теме

1.1. Анализ конструкций кузовов легковых автомобилей, в том числе изготовленных с помощью клеевых соединений

1.2. Обзор типов и свойств клеевых материалов

1.3. Анализ расчетных и экспериментальных методов исследования клеевых соединений

1.4. Факторы, влияющие на свойства клеевого соединения

1.5. Анализ методов исследований пассивной безопасности автомобилей

1.6. Обзор методов оптимизации

1.7. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. Разработка модели клеевых соединений в кузовах легковых автомобилей и исследование их поведения при квазистатическом и ударном нагружениях

2.1. Моделирования клеевого соединения и его разрушения

2.1.1. Методы моделирования клеевого соединения

2.1.2. Метод моделирования разрушения клеевого соединения

2.1.3. Моделирование клеевого соединения методом конечных элементов

2.1.4. Выбор модели клеевого материала

2.2. Экспериментальные исследования влияния толщины клеевого соединения на параметры конструкций

2.3. Метод корректировки конечно-элементной модели клеевого материала с учетом влияния толщины и скорости деформации

2.4. Моделирование клеевого соединения при квазистатическом нагружении с использованием модифицирования свойств материала

2.5. Моделирование клеевого соединения при ударном нагружении с использованием модифицирования свойств материала

2.6. Исследование влияния толщины клеевого соединения и скорости деформации на свойства соединения

2.7. Подбор типа и размеров конечных элементов и исследование влияния их размеров на точность моделирования клеевого соединения

2.8. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Исследование параметров навесных деталей кузова легковых автомбилей, изготовленных с применением клея при статических и ударных нагружениях

3.1. Исследование параметров двери автомобиля со склеенными панелями при статических и ударном нагружениях

3.1.1. Исследование влияния применения клеевого соединения в двери на прочность конструкции при статических нагружениях

3.1.2. Исследование влияния применения клеевого соединения в двери на прочность конструкции при ударном нагружении

3.2. Исследование параметров крышки багажника автомобиля со склеенными панелями при статических и ударном нагружениях

3.2.1. Исследование влияния применения клеевого соединения в конструкциях крышки багажника на прочность конструкции при статических нагружениях

3.2.2. Исследование влияния применения клеевого соединения в конструкциях крышки багажника на прочность конструкции при ударном нагружении

3.3. Исследование параметров капота автомобиля со склеенными панелями при статических и ударном нагружениях

3.3.1. Исследование влияния применения клеевого соединения на параметры конструкции капота при многовариантных статических нагружениях

3.3.2. Исследование параметов панели капота при ударном нагружении

3.3.3. Топологическая и параметрическая оптимизация конструкции панели капота при ударном нагружении

3.4. Исследование параметров крыши автомобиля с приклеенной внутренней панелью при ударном нагружении

3.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. Методика улучшения параметров кузовов автомобилей на стадии проектирования

4.1. Основные положения методики улучшения параметров кузовов автомобилей на стадии проектирования

4.2. Применение разработанной методики к улучшению параметров навесных деталей и крыши автомобиля Honda Accord

4.2.1. Оценка возможности применения клея в коншрукциях автомобиля Honda Accord

4.2.2. Анализ напряжено-деформационного состояния автомобиля Honda Accord при статической нагрузке с использованием клеевого соединения

4.2.3. Анализ поведения автомобиля Honda Accord при ударной нагрузке с использованием клеевого соединения

4.2.4. Оптимизация конструкции автомобиля кузова автомобиля с клеевыми соединениями

4.3. Применение разработанной методики к улучшению параметров конструкций автомобиля Nissan Rogue

4.4. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика улучшения параметров кузовов легковых автомобилей на стадии проектирования за счет применения в них клеевых соединений с заданными свойствами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. При постоянном расширении видов материалов, применяемых в автомобилестроении, традиционные методы сварки не всегда могут быть применены для соединений кузовных деталей легковых автомобилей (л/а). Клеи позволяют надежно соединять детали, обладают хорошими структурными и герметизирующими свойствами, что обуславливает все более широкое их применение в автомобильной промышленности.

При разработке автомобильных конструкций с клеевым соединением необходимо решить проблемы обеспечения их прочности, жёсткости при минимальной массе и стоимости. Помимо этого, для автомобилей важно обеспечить пассивную безопасность, а это требует изучения взаимодействия элементов конструкций и их соединений в том числе при ударном воздействии.

Как показывают исследования, разрушение таких соединений (как точечных сварных, так и клеевых), существенно влияет на поведение всей конструкции при аварии. Поэтому необходимо иметь модели, позволяющие прогнозировать разрушение клеевых соединений с гарантированной точностью.

Однако до настоящего времени было проведено ограниченное количество исследований по разработке эффективных конечно-элементных моделей (КЭМ) клеевых соединений, способных удовлетворять требованиям анализа транспортных средств, в том числе при ударном нагружении.

Научная новизна работы заключается в разработке методики совершенствования параметров навесных деталей кузовов и крыши автомобилей на стадии проектирования за счет применения клеевых соединений с заданными свойствами с целью обеспечения требований пассивной безопасности автомобиля, а также прочности и жесткости при минимальной массе, включающей в себя:

- разработку модифицированного метода калибровки свойств клеевого соединения, ориентированного на многовариантные исследования при квазистатическом и ударном нагружениях, отличающегося тем, что помимо корректирования модуля Юнга, предела текучести и модуля упрочнения

клеевого материала учитывается влияние толщины клеевого соединения и скорости деформации;

- разработку рациональных КЭМ конструкций кузовов автомобилей и клеевых соединений в них, отличающиеся, обоснованно выбранными размерами и типами конечных элементов, обеспечивающими получение требуемой точности результатов расчета при квазистатическом, динамическом и ударном нагружениях с минимальными трудозатратами на подготовку и решение задач с помощью программных комплексов (ANSYS и LS-Dyna);

- прогнозирование механических свойств клеевых соединений, применяемых в элементах конструкций транспортных средств при ударных нагрузках, и их подверженность растрескиванию и разрушению в сравнении с разрушением точечных сварных соединений, что позволяет определить границы применимости клея для кузовов;

- разработку метода задания требуемых свойств клеевого соединения (параметров клея, толщины клеевого слоя) для навесных деталей и крыши л/а применительно к оптимизационной задаче для достижения необходимой энергоемкости, снижения массы и обеспечения требуемой прочности и жесткости.

Цель диссертационной работы состоит в улучшении параметров кузовов автомобилей (прочность, жесткость, минимальная масса и энергоемкость) на стадии проектирования за счет применения в них клеевых соединений с заданными свойствами, а также методов оптимального проектирования.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1) провести анализ типовых конструкций л/а, в том числе с клеевым соединением, и выбрать объекты исследования;

2) провести анализ методов исследования прочности, жесткости конструкций л/а;

3) разработать рациональные КЭМ клеевых соединений с учетом

факторов, влияющих на прочность и жесткость конструкций автомобилей при статическом, квазистатическом и ударном нагружениях;

4) разработать метод калибровки свойств клея при моделировании с учетом изменений фактической и моделированной толщины клеевого слоя и скорости деформации;

5) разработать методику целенаправленного задания требуемых свойств клеевого соединения (параметров клея, толщины клеевого слоя) для л/а применительно к оптимизационной задаче для достижения необходимой энергоемкости, снижения массы и обеспечения требуемой прочности и жесткости;

6) разработать метод улучшения параметров склеенных конструкций (по прочности, жесткости и энергоёмкости при минимальной массе) за счет использования клеевого соединения с заданными параметрами, а также проведения параметрической и топологической оптимизации.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанная методика может быть применена при проектировании и доводке кузовов и навесных деталей легковых автомобилей с использованием клеевых соединений для удовлетворения требованиям прочности, жесткости и пассивной безопасности, а также уменьшения массы;

2. Реализованы предложения (по результатам теоретических исследований) по применению клеевого соединения с выбранными свойствами в капоте, крышке багажника, двери и крыше автомобилей Honda Accord и Nissan Rogue и по изменению этих конструкций, позволившие улучшить их основные параметры.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались на:

1) научных семинарах кафедры колесных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2018-2022 г.);

2) XIII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее Машиностроения России» (Москва, 2020 г.);

3) XIV Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее Машиностроения России» (Москва, 2021 г.);

4) XV Международной научно-практической конференции «Перспективные Направления Развития Автотранспортного Комплекса» (Пенза, 2021 г.);

5) 112-ой Международной научно-технической конференции «Конструктивная Безопасность Автотранспортных Средств» (Москва, 2022 г.).

Реализация работы: материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре колесных машин МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Публикации: по материалам работы опубликованы 6 научные статьи общим объемом 2,74 п.л., 3 из которых входят в журналы из перечня, рекомендованного ВАК РФ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, а также списка литературы. Работа выполнена на 150 листов машинописного текста, включает 1 39 рисунков и 22 таблицы. Список литературы насчитывает 107 наименований.

На защиту выносятся основные положения научной новизны, выводы и результаты исследований.

ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса по теме

1.1. Анализ конструкций кузовов легковых автомобилей, в том числе изготовленных с помощью клеевых соединений

Кузов и навесные детали автомобиля должны отвечать требованиям звукоизоляции, теплоизоляции, виброзащиты и аэродинамики, чтобы обеспечить комфорт и безопасность водителя и пассажиров. В случае дорожно-транспортных происшествий (ДТП) кузов автомобиля должен воспринять основную нагрузку удара и обеспечить жизненное пространство пассажиров, поэтому требуется иметь достаточную жесткость и прочность, а также ударопрочность кузова, при этом часто за счет увеличения его массы кузова. Для того, чтобы улучшить динамические характеристики кузова автомобиля, снизить потребление энергии, уменьшить производственные и эксплуатационные расходы и, таким образом, сократить выбросы и т. д., необходимо разрабатывать и применять технологии совершенствования конструкций [1,6].

Министерство энергетики США ожидает, что к 2050 году масса кузова автомобиля снизится на 65% (Рис. 1.1) [3]. Однако облегчение — это не просто снижения массы, а ещё обеспечение прочности и энергоемкости конструкций, ветроустойчивости и комфорта и др., без значительного увеличения стоимости производства.

60 £ 50 Т 40 1 30 1 20 Я 1 ю s в 0 С ЦП ш ] Э Э й Тр ш Не ЯНСМИС1 аеси терьер Я •н Я гт J ! - !

2020 2025 2030 2040 2050 Год

Рис. 1.1 Прогнозируемые цели по снижению массы автомобиля Министерством энергетики США При производстве автомобилей обычным материалом, используемым для изготовления кузова является сталь. В настоящее время начать применяться

изучаются новые материалы для кузова, в том числе сплавы и композиты для удовлетворения требований снижения массы и обеспечения пассивной безопасности [2, 4, 5, 7].

Сплавы, в основном, представлены алюминиевыми сплавами, иногда применяются алюминиевая пена для заполнения полотей характерных элементов. Композитные материалы являются более сложными и представлены комбинацией материалов. Композиты из углеродного волокна (CFRP) характеризуются высокой прочностью, высокой жесткостью, высокой стойкостью к разрушению, коррозионной стойкостью и высокой амортизацией, что позволяет значительно увеличить срок службы, топливную экономичность, безопасность и комфорт автомобилей.

Однако, чтобы не увеличивать стоимость изготовления кузовов автомобилей, в настоящее время в автомобильной промышленности обычно используется комбинация разных материалов. При этом стрематься полностью использовать эксплуатационные преимущества различных материалов, учитывать производственные затраты и снизить собственную массу кузова автомобиля, чтобы можно было произвести автомобиль, подходящий для рынка.

Для соединения материалов из стали и алюминиевых сплавов из-за разницы потенциалов между разнородными металлами при контакте друг с другом во влажном воздухе вероятны гальванические реакции, в результате чего металлы коррозируют (Рис. 1.2).

Рис. 1.2. Электрохимическая коррозия в соединениях алюминия и стали Для соединения композитных материалов из-за анизотропии, хрупкости и неоднородности композитных материалов использование механических соединений, таких как болтовое соединение и заклепка, может привести к срезанию углеродного волокна к концентрации напряжений на краю отверстия и

сложному напряженному состоянию и т.д., что не всегда целесообразно [87]. Для конструкций из композитных материалов, таких как углеродное волокно и армированный стекловолокном пластик, клеевое соединение является оптимальным вариантом соединения, который может компенсировать и избежать недостатков традиционных методов соединения.

Склеивание позволяет соединять детали любой формы, разнородных материалов, тонкостенных и сложных деталей. Он имеет малый вес, хорошее сопротивление усталости, обеспечивает герметичность, снижение вибрации и обладает изоляционными характеристиками и др..

Склеивание также является одним из основных методов безаварийного ремонта волоконно-композитных конструкций.

Сила механического связывания, сила физической адсорбции и сила химического связывания, создаваемая между структурным клеем и соединяемым материалом, может обеспечить также соединение материала большой площади, которое имеет характеристики равномерного распределения напряжений, хорошей устойчивости к вибрации и хорошей герметичности.

В процессе столкновения автомобиля клеевой слой также может играть важную роль в амортизации и поглощении энергии.

Клеевые технологии все шире используются в автомобилях. В Таблице 1 представлены примеры применения клеевых соединений в различных моделях автомобилей. Можно увидеть, что технология клеевого соединения очень распространен в кузовах автомобилей [8, 9].

Таблица 1.

Применение клеевого соединения в автомобилях

Компания Модель Масса клея/кг

GM Cadillac ATS 110

Cadillac CT6 269

Audi A3 80

A6 110

A8 90

Таблица 1 (продолжение)

Мерседес Бенц SL(R231) 76

Hyundai i40 70

Ford Мондео 20~25

Honda Civic 30

Из приведенной выше таблицы видно, что клеевое соединение является широко используемым методом в современных транспортных средствах (ТС). Возможные места расположения конструкционного клея в автомобиле показаны на Рис. 1.3. [10]

Рис. 1.3. Зоны применения конструкционного клея в автомобиле Для легкого автомобиля распределение клея, может быть, на боковых стенках, усиливающей пластине передней / задней стойки и т. д. [11].

Склеенная структура получается легкой и прочной, с высокой удельной прочностью, обладающая такими особыми свойствами, как трещиностойкость, поглощение вибрации, теплоизоляция и звукоизоляция. В целом, использование склеенных соединений вместо клепаных приводит к снижению массы на 25%, увеличению прочности на 35% и снижению стоимости примерно на 20% (по сравнению с клепаными соединениями) [88]. Поскольку клеевое соединение осуществляется в определенной площади в зоне а не в точке, то это способствует

улучшению его усталостных характеристик на порядок и выше, имея при этом отличную коррозионную стойкость.

В автомобилестроении для увеличения жесткости конструкций обычно склеивают наружные и внутренние панели клеем типом ПФ-1 [87]. В местах, нельзя производить сварку, так как после нее остаются следы от точек, то можно делать сборку с помощью клея.

Процесс склеивания относительно прост и может быть осуществлен в цеху, при высокой эффективности производства и низкой стоимости последующей обработки. Материальные затраты могут быть снижены за счет упрощения конструкций панелей кузова, избежания необходимости использования кронштейнов для усиления сварных панелей и других элементов и вообще применения сварки [89]. Типичный цех для массового производства деталей в автомобилестроении выглядит как показано на Рис. 1.4.

Рис. 1.4. Цех по склеиванию на деталях кузова автомобиля

Исходя из этого, становится ясно, что клеевые соединения широко используются в транспортных средствах. Однако влияние использования клеевых соединений на пассивную безопасность автомобилей изучено недостаточно [10-16].

1.2. Обзор типов и свойств клеевых материалов

Как уже упоминалось выше, в настоящее время в транспортных средствах используется множество типов клеев, которые можно разделить в зависимости

от их состава на следующие категории (сценарии их применения будут описаны отдельно) [17]:

- каучуковые клеи, которые обычно используют для крепления обшивки и других элементов, это универсальные и надежные клеи;

- полиуретановые клеевые материалы, которые одним из самых прочных;

- анаэробные клеи;

- эпоксидные клеи, которые обеспечивают высокопрочное соединение различных материалов;

- герметики полиуретановые или силиконовые клеи;

- термоклей;

- двухкомпонентный акриловый клей, который широко используется для склеивания различных сочетаний материалов;

- клеи-герметики.

Из-за влияния диффузии молекулярных атомов и других механизмов, когда один и тот же тип клея используется для склеивания различных типов материалов, характеристики склеивания также сильно различаются.

Основными факторами, влияющими на прочность соединения склеенной конструкции, являются размер конструкции клеевого соединения, сила прижатия, метод обработки поверхностей, связующие материалы, старение клея, вызванное влиянием температуры и влажности, и усталость клея. Размер структуры в основном включает площадь клеевого шва, толщину клеевого слоя, форму шва и т.д.; метод обработки поверхности - шероховатость и текстуру склеиваемой поверхности, последовательность и время протирки реагентом при предварительной обработке; связывающая подложка включает металлические материалы, такие как сталь, композитные материалы, в том числе углеродное волокно, стекловолокно и другие типы материалов.

В кузовах современных автомобилей все чаще используются легкие материалы, такие как алюминиевые сплавы и композитные материалы. Применение таких материалов, как углеродное волокно, стеклопластики, алюминиевые сплавы и высокопрочной стали, позволили изготавливать более

легкие автомобили с высокой прочностью и жесткостью. Смешанное использование этих материалов - тенденция будущего развития автомобилестроения, поэтому применение клеевого соединения в автомобильных конструкциях тоже является одними из важных и востребованных методов изготовления автомобиля.

Обычно используемые марки автомобильных структурных клеев на рынке — это BETAMATE, Henkel, 3M, HGD и т. Д. Каждый структурный клей имеет свои свойства (Таблица 2).

Таблица 2.

Свойства клеевых материалов

BETAMATE Henkel HGD 3М

Свойства 2810SV 1400Р TECHNOME LT PA 7804 3412 DP420

Плотность 1210 1240 1010 1348 1140

Вязкость - - 7000 150000 22000

Твердость - - 74 70-80 -

Удлинение 6,5 9 2,4 - -

Предел прочности 1160 4640 3400 2430 -

Материальн Эпоксидна Эпоксидна Акрилова Эпоксидна

ая база я смола я смола я смола я смола

В Таблице 2 представлены несколько наиболее часто используемых конструкционных клеев, которые могут соединять металлические и неметаллические материалы (данные взяты с официального сайта производителя материала). Следует отметить, что опубликованных экспериментальных данных не хватает, в том числе отсутствуют данные по анизотропии материалов, корреляции между свойствами материала и температурой, а также есть ли разница в параметрах после соединения разных материалов и др..

1.3. Анализ расчетных и экспериментальных методов исследования клеевых соединений

Для определения прочности клеевых соединений существуют методы, определяемые ГОСТами и зарубежными международными и национальными стандартами (ISO, BSI, AFNOR, DIN, ASTM, JIS и др.). ГОСТы для определения прочности клеевых соединений можно классифицировать по виду нагружении и склеиваемым материалам (Рис. 1.5) [86].

По виду нагружения

Прочность на отрыв

Равномерный отрыв

ГОСТ 209-75 ГОСТ 14760—69 ГОСТ 23234-2009

Неравномерный отрыв

ГОСТ 15867-79 ГОСТ 25885-83

Прочность на сдвиг

ГОСТ 14759-69 ГОСТ 20182-74

Прочность на отслаивание

ГОСТ 411-77

Прочность на расслаивание

ГОСТ 6768-75 ГОСТ 28966 1-91

ГОСТ 28966 2-91 ГОСТ 27812-2005

По склеиваемым материалам

Металл-Металл

ГОСТ 14759-69 ГОСТ 14760-69

Одинаковые

Разные

у \

>с Полимер-По

Дерево-Дерево ГОСТ 27812-2005

Полимер-Полимер

ГОСТ 6768-75 ГОСТ 28966.1-91

Полимер-Металл

ГОСТ 209-75 ГОСТ 411-77 ГОСТ 28966 2-91

Дерево-ДСП ГОСТ 15867-79 ГОСТ 25885-83

Дерево-Металл ГОСТ 23234-2009

Рис. 1.5. Классификация действующих ГОСТов для определения прочности

клеевых соединений Существует еще несколько международных стандартов для определения свойств клеевого материала при статическом нагружении. Например, часто используют международный стандарт ISO 11003-2-2019 [34] и немецкий стандарт DIN 53457 [35] для испытаний на растяжение и четырехточечный изгиб (Рис. 1.6) соответственно для изучения свойств клея, а также с целью получения модуля сдвига и модуля Юнга клея.

Однако эти методы направлены на определение и оценку только свойств склеиваемого материала при статической или квазистатической нагрузке, но не прочность соединения, что важно учитывать при моделировании транспортных средств. Однако эти стандарты не позволяют оценить анизотропию клеевого материала.

Рис. 1.6. Схема установки для исследований по международному стандарту ISO 11003-2-2019 и немецкому стандарту DIN 53457 Помимо экспериментов с квазистатическим и статическим нагружениям, необходимы также испытания при динамических и ударных нагрузках для изучения влияния скорости груза на прочность клеевого соединения применительно к пассивной безопасности автомобиля.

Для исследования трещиностойкости склеенных соединений при динамическом нагружении был введен европейский стандарт DIN EN ISO 11343 (2019-10) [36] (Рис. 1.7). Скорость воздействия в стандарте задается равнять 2 м/с. Однако в данном стандарте основное внимание уделяется образованию трещин в клеевом шве при динамической нагрузке, а не прочности самого шва. Однако стандарт в стадии доработки, поэтому необходимы дальнейшие исследования и пересмотр.

</М//////)у///////)///,

Рис. 1.7. Схема установки для измерения свойств клеевого соединения в соответствии со стандартами DIN EN ISO 11343 (2019-10)

В стандарте ASTM D 950-03 [37] клеевое соединение используется для соединения двух толстых стальных пластин (Рис. 1.8). Нижняя пластина закреплена, а затем по поверхности верхней пластины ударяют маятником со скоростью 3м/с. С помощью этого метода можно измерить прочность клеевого соединения на сдвиг. Однако у этого стандарта тоже есть недостатки. Скорость ударника трудно определить, и сложно обеспечить точное попадание ударника в нижнюю зону поверхности стальной пластины, также не могут быть измерены некоторые параметры, такие как деформация.

Рис.1.8. Схема установки для определения свойств клеевого соединения в

Видно, что стандарт для исследования прочности склеенных соединений при динамической и ударной нагрузках применительно к автомобилям все еще отсутствуют.

Представляют интерес результаты экспериментальных исследований по изучению влияния толщины клеевого слоя, толщины склеиваемого материала и свойств клея на прочность склеенных конструкций по международному стандарту ISO 11003-2, однако недостаточно данных при динамической и ударной нагрузках [38-41].

В исследовании [43, 44, 49] деформация конструкции при осевом нагружении изучалась с помощью установки, показанной на Рис. 1.9, но она дорогая, и на её базе анализировалась только связь между контактными силами (давлением) и деформацией конструкции.

соответствии со стандартом ASTM D 950-03

Рис. 1.9. Схема установки для измерения деформации конструкции при осевом

нагружении

В исследованиях [45] для изучения деформации склеенной конструкции использовалась ударная машина с падающим молотом, но при этом использовался ударник небольшого размера, и исследовалась, в основном, деформация. Параметры нагружения существенно отличаются от тех, что используются при имитации удара автомобиля, а также не анализировались ни контактные силы, ни деформации в реальном времени.

В компании Dailmer и Porsche проведены эксперименты с использованием Т-образных образцов, которые подвергались ударам со скоростью 3 м/с в продольном и поперечном направлениях для измерения зависимости между контактной силой и смещением. Однако форма пуансона для этого эксперимента не соответствовала форме ударников по автомобилю при краш-тестах, и, в целом, опубликовано недостаточно экспериментальных данных [94,95,98,100-102].

Основным расчетным методом для исследования свойств клеевого соединения является метод конечных элементов (МКЭ). Могут быть использованы четыре типа конечных элементов (КЭ) либо контакт для моделирования клеевого соединения - контакт, стержневые КЭ, оболочечные и объёмные [23, 24].

В исследовании Samhan [45, 46] клеевое соединение моделируется с помощью TIED-соединения, а в исследовании Seong [47] соединение представлено WELDED-соединением, однако оба метода проводят к большим

ошибкам и не отражают в полной мере механические свойства клеевого соединения.

Wooley и др. [48] использовали оболочечные КЭ для моделирования клеевого слоя в испытательном образце. Но толщина основного материала в модели, намного превышает толщину реального клеевого слоя (Рис. 1.10).

Рис. 1.10. КЭМ клеевого соединения Carpenter и др. [50] смоделировали основной металл стержневыми КЭ, а клеевой слой оболочечными КЭ; Su и др. [51] использовали нелинейный пружинный элемент для имитации клеевого слоя (Рис. 1.11). Эта модель также может учитывать степень повреждения клеевого слоя при нагружении.

Рис. 1.11. Модель клеевого соединения на базе нелинейного пружинного

элемента

Xia и др. [12, 13, 52] использовали жесткие балочные и оболочные элементы для моделирования клеевого слоя и основного металла на основе программного обеспечения LS-Dyna. Однако из-за ряда недостатков не получена требуемая точность моделирования.

Вышеупомянутые модели трудно применять при анализе ударопрочности транспортного средства.

Некоторые исследователи [53-56, 58] исследовали подробные модели клеевого соединения в попытке точно смоделировать распределение напряжений, повреждений и разрушений в клее. Тем не менее, из-за очень малого размера КЭ, они не приемлемы для многовариантных расчетов моделирования конструкций автомобилей.

Некоторые сведения о свойствах клеевых соединений, технологии, и расчетах конструкций с клеевыми соединениями приведены в работах [23, 4257 и др.].

В работе [50] применяется метод динамического ограничения для моделирования клеевого слоя и соединения. Применяется коррекция путем корректировки толщины клеевого слоя. Из-за малой толщины клеевого слоя учет фактической толщины при моделировании оказывает большое влияние на точность расчета. Поэтому метод коррекции на основе только геометрии сложно применить в модели транспортного средства.

В работе [63] начальная жесткость части соединения регулируется путем увеличения модуля Юнга. Этот метод мало влияет на пластическую деформацию, поэтому можно получить результаты, которые ближе к реальным. Тем не менее, объем расчета является большим, и это трудно изменить.

Из анализа исследований, упомянутых выше, можно сделать вывод, что КЭ клеев, применимый к расчету автомобиля, — это объемный конечный элемент, но в настоящее время не существует КЭМ клея, хорошо применимой к многовариантным исследованиям конструкций автомобилей.

1.4. Факторы, влияющие на свойства клеевого соединения

Как отмечалось, для исследования конструкций транспортных средств с помощью метода конечных элементов обычно используются объемный КЭ для моделирования клеевого слоя и оболочечный КЭ для моделирования стали или других соединяемых материалов [4, 28 - 33].

В работе [58] склеиваемый материал моделировался с помощью оболочечных конечных элементов, клей между пластинами использованы объемными КЭ (Рис. 1.12). Свойства клея описывались модель ошгбоп.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лю И, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьев Б.А., Белоусов Б.Н. Жеглов Л.Ф. Проектирование полноприводных колесных машин // Учеб. для ВУЗов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 465 с.

2. Орлов Л.Н. Пассивная безопасность и прочность кузовов, кабин автотранспортных средств // Труды НГТУ. 2005. Том 8. С. 158-167.

3. Morteza K., Imtiaz G. Design of lightweight magnesium car body structure under crash and vibration constraints // Journal of Magnesium and Alloys. 2014. Vol. 2, P. 99-108.

4. Зузов В.Н. Разработка методов создания несущих систем колесных машин с оптимальными параметрами // Дис... докт. техн. наук. Москва, 2002. 321 с.

5. E. V. Arcieri Study and modelling of the passenger safety devices of an electric vehicle by finite elements // AIAS 2017 International Conference on Stress Analysis. 2018, P. 212-219.

6. Enrico Mangino, Joe Carruthers The future use of structural composite materials in the automotive industry// Int. J. Vehicle Design. 2007, Vol. 44, P. 3-4.

7. George C. Jacob, John F. Fellers Crashworthiness of Automotive Composite Material Systems// Journal of Applied Polymer Science, 2004, Vol. 92, P. 3218 -3225.

8. Francesca C. M. B. A Review on Adhesively Bonded Aluminium Joints in the Automotive Industry //MetaLS - Open Access Metallurgy Journal. 2020. Vol. 10, №. 6, P. 730-762.

9. G. Jeevi, Sanjay Kumar Nayak, Review on adhesive joints and their application in hybrid composite structures // Journal of Adhesion Science and Technology. 2019. Vol. 33, №. 14. P. 1497-1520.

10. Beevers A, Steidler S M, Durodola J., Analysis of stiffness of adhesive joints in car bodies // J Mater Process Tech. 2001. Vol. 118. P. 96-101.

11. Alexander D. Crash stable adhesives in application and simulation // LS-Dyna user conference, 5. LS-Dyna Anwenderforum. Germany. 2006. C - I - 1 P. 1-10.

12. Xia Y, Zhou Q, Wang P. Development of high efficiency modeling technique for

weld-bonded steel joints in vehicle structures, Part I: Static experiments and simulations // Int J Adhesion Adhesives, 2009, №. 29. P. 414-426.

13. Xia Y, Zhou Q, Wang P. Development of high efficiency modeling technique for weld-bonded steel joints in vehicle structures, Part II: Dynamic experiments and simulations // Int J Adhesion Adhesives, 2009, №. 29, P. 427-433.

14. Thomas C. Adhesive Joining for Crashworthiness - Material Data and Explicit FE-methods // M: Göteborgs universitet. Sweden, 2008. 126 p.

15. Samuel Fays, Adhesive Bonding Technology In the Automotive Industry// Adhesion and Interface. 2003. Vol.4, №.2, P. 37-48.

16. L. Yongbing, M. Yunwu, L. Ming, L. Haiyang Advances in Welding and Joining Processes of Multi-material Lightweight Car Body // Journal of mechanical engineering. 2016. Vol.52. P. 1-23.

17. Смирнов М. И. Сборник технических условий на клеящие материалы // Л., «Химия», 1975. 465 с.

18. Гельфгат Д.Б. Прочность автомобильных кузовов // М.: Машиностроение, 1972. 144 с.

19. Гольд Б.В., Оболенский Е.П., Стефанович Ю.Г. Прочность и долговечность автомобиля // М.: Машиностроение, 1968. 158 с.

20. Долматовский Ю.А. Основы конструирования автомобильных кузовов // М.: Машиностроение, 1967. 248 с.

21. Орлов Л.Н. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кабин, кузовов автомобилей, автобусов // Дис... докт. техн. наук. Н. Новгород, 2001. 318 с.

22. Фентон Дж. Несущий каркас кузова автомобиля и его расчет: Пер. с англ.// М.: Машиностроение, 1984. 200 с.

23. Wei Tan. Research on testing method for mechanical properties of Body Adhesion // M.: Jilin University, 2018. 117 p.

24. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни // М.: Физматгиз, 1959. 312 с.

25. Орлов Л.И Расчет кабины грузового автомобиля на безопасность // Активная и пассивная безопасность автомобиля // Межвуз. сб. МЛМИ. 1985. С. 192-197.

26. Орлов Л.Н. Расчет кузова легкового автомобиля на безопасность // Известия вузов. Машиностроение. 1987. №5. С. 53-57.

27. Орлов Л.Н. Расчет кузовных конструкций на безопасность // Межвузовский сборник по безопасности: Тр. МЛМИ. 1977. №5. С. 27-34.

28. Фрид И. Погрешности дискретизации и вычислительные погрешности для конечных элементов с высоким порядком аппроксимирующих полиномов // Ракетная техника и космонавтика. 1971. № 10. С. 219-221.

29. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике // М.: Мир, 1975. - 541 с.

30. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1977. 279 с.

31. Постнов В.А., Дмитриев С.А., Елтышев Б.К. Метод суперэлементов в расчетах инженерных конструкций // Л.: Судостроение, 1979. 283 с.

32. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. // Л.: Судостроение, 1974. 342 с.

33. Сегерлинд Л. Д. Применение метода конечных элементов // М.: Мир, 1979. 392 c.

34. ISO 11003-2-2019 Adhesives- Determination of shear behavior of structural adhesives —Part 2: Tensile test method using thick adherends. - М: ISO, 2019 -14 p.

35. DIN 53457 Testing of plastics: determination of the elastic modulus by tensile, compression and bend testing. - М: DIN, 2012. 7 p.

36. DIN EB ISO 11134 (2019-10) Adhesives - Determination of Dynamic resistance to cleavage of high -strength adhesive bonds under impact wedge conditions. - М: DIN, 2019. 18 p.

37. ASTM D 950-03 Standard Test Method For Impact Strength Of Adhesive Bonds -М: ASTM, 2011. 4 p.

38. Chang B. Effect of Elastic Modulus and Thickness of Adhesives on the Stress Distribution in Weld-bonded Joints Materials // J. Engineering. 1998. №. 5. P.19-13

39. Kimiyoshi N., Yasuo K. The effect of adhesive thickness on tensile and shear

strength of polyimide adhesive // Int J. Adhes Adhes, 2012. №. 36. P.77-85.

40. Xu W, Wei Y G. Influence of adhesive thickness on local interface fracture and overall strength of metallic adhesive bonding structures // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2013. №. 40 P. 158-167.

41. Herzl C. The effects of bond thickness, rate and temperature on the deformation and fracture of structural adhesives under shear loading // International Journal of Fracture. 2004. №. 130. P. 497-515.

42. Xin Y. Study of Modeling Weld-Bonded Joints under Impact I // M: Tsinghua University, 2010. 176 p.

43. Xia Y., Johnson N.L., Gayden X.Q., Fickes J.D. Development of high efficiency modeling technique for weld-bonded steel joints in vehicle structures, Part I: Static experiments and simulations // Int J Adhesion Adhesives. 2009. №.29. P. 414-426.

44. Xia Y., Gayden X.Q., Fickes J.D. Development of high efficiency modeling technique for weld-bonded steel joints in vehicle structures, Part II: Dynamic experiments and simulations// Int J. Adhesion Adhesives. 2009. №2. 29. P. 427-433.

45. Samhan A., Darwish S. M. Finite element modeling of weld-bonded joints // J. Mater Process Tech. 2003. №. 142. P. 587-598.

46. Samhan A., Darwish S. M. Strength prediction of weld-bonded joints // J Mater Process Tech. 2003. №. 23. P. 23-28.

47. Seong M. S., Kim T. H., Nguyen K. H. A parametric study on the failure of bonded single-lap joints of carbon composite and aluminum // Comp Struct. 2008. №. 86. P. 135-145.

48. Wooley G. R., Carver D. R. Stress concentration factors for bonded lap joints // J. Aircraft. 1971. №. 8. P. 817-825.

49. Xin Y. Study of Modeling Techniques of Welded Joints under Impact Loading // Tsinghua University for the degree of Doctor of Engineering, 2010. 176 p.

50. Carpenter W. C., Barsoum R. Two finite elements for modelling the adhesive in bonded configurations // J. Adhesion. 1989. №. 30. P. 25-46.

51. Su C, Wei Y J, Anand L. An elastic-plastic interface constitutive model: application to adhesive joints. Int J Plast, 2004, №. 20. P. 2063-2081.

52. Xia Y, Yang X, Zhou Q. Effect of stress softening in bumper foams on the low speed impact performance of vehicles // SAE International Journal of Material Manufacturing. 2008. Vol. 1. P. 548-553.

53. Chai H. Interfacial mixed-mode fracture of adhesive bonds undergoing large deformation // Int J. Solids Struct. 2003. Vol. 40. P. 6023-6042.

54. Chew H. B., Guo T. F., Cheng L. Pressure-sensitive ductile layers - I. Modeling the growth of extensive damage // Int J. Solids Struct. 2007. Vol. 44, P. 2553-2570.

55. Chew H. B., Guo T. F., Cheng L. Pressure-sensitive ductile layers - II. 3D models of extensive damage // Int J. Solids Struct. 2007. №. 44. P. 5349-5368.

56. Kim J, Zhang G, Gao X. Modeling of ductile fracture: Application of the mechanism-based concepts // Int J Solids Struct, 2007. №. 44. P. 1844-1862.

57. Xin Y. Study of Modeling Techniques of Weld-Bonded Joints under Impact Loading // M: Tsinghua University, 2010. 166 p.

58. Gurson A. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: I. Yield criteria and flow rules for porous ductile media // J. Eng Mater Tech. 1977. №. 99, P. 2-15.

59. Gefu J. Effects of adhesive thickness on global and local Mode-I interfacial fracture of bonded joints // International Journal of Solids and Structures. 2010. Vol.47. P. 2445-2458.

60. Anders Biel Influence of temperature on cohesive parameters for adhesives // the 28th Ris international symposium on materials science. 2007. P. 17-24.

61. Michael M. Rate dependent behavior of crash-optimized adhesives - Experimental characterization, model development, and simulation // Engineering Fracture Mechanics. 2015. №.133. P. 112-137.

62. R. Hazimeh Finite element analysis of adhesively bonded composite joints subjected to impact loadings // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2015. Vol. 56. P. 24-31.

63. N.D.D. Silva Experimental and numerical study of the Dynamic response of an adhesively bonded automotive structure // J Automobile Engineering. 2020. Issue 14, Vol. 234. P. 1-13.

64. R. Avendano Effect of temperature and strain rate on single lap joints with dissimilar light-weight adherends bonded with an acrylic adhesive // Composite Structures. 2016. Vol. 15. P. 34 - 44.

65. D. Shan, X. Yang, Z. Xu Study on Adhesive Bonding Performance of Steel and Aluminum Used on Automobile // Int J. Adhesion Adhesives. 2004. №2. 24, P. 355366.

66. Thomas Carlberger, Anders Biel Influence of temperature and strain rate on cohesive properties of a structural epoxy adhesive// Int J. Fract. 2009. P.155-166.

67. L.D.R. Grant, R.D. Adams, Lucas F.M. da Silva Effect of the temperature on the strength of adhesively bonded single lap and T joints for the automotive industry //International Journal of Adhesion & Adhesives. 2009. №. 29. P. 535-542.

68. Ping Hu, Xiao Han, Long Li Effect of Temperature on Shear Strength of Adhesively Bonded Joints for Automobile Industry // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 418-420. P. 1259-1265.

69. H. F. Mahmood, H.J. Mertz, J. Wismans Vehicle Crashworthiness and Occupant Protection // M: American Iron and Steel Institute, Southfield. 2004. 388 p.

70. A.A.A. Alghamdi, Collapsible impact energy absorbers: An overview //Thin-Walled Struct. 2001. Vol. 39. P. 189-213.

71. G. Lu, T. Yu Energy Absorption of Structures and Materials // M: Technology & Engineering, 2003. 424 p.

72. G.M. Nagel Impact and energy absorption of straight and tapered rectangular tubes // M: Queensland University of Technology, 2005. 127 p.

73. Mayer R. R., Kikuchi N., Scott R. A. Applications of topology optimization techniques to structural crashworthiness // Int. J. Numer. Methods Eng. 1996. №. 39. P. 1383-1403.

74. Pedersen C. B. W. Topology optimization design of crushed 2-d frames for desired energy absorption // Struct. Multidiscip. Optim. 2003. №. 25. P. 368-382.

75. Троицкий, В. А. Оптимизация формы упругих тел // М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1982. 432 с.

76. Soto C.A. Structural topology optimization for crashworthiness // Int. J. Numer.

Methods Eng. 2004. №9-3. P. 277-283.

77. Myers R.H., Montgomery D.C. Response Surface Methodology. Process and Product Optimization using Designed Experiments. Chichester, England: John Wiley& Sons. 2009. 680 p.

78. Schoofs A.J.G. Experimental Design and Structural Optimization. PhD thesis, Technische Universiteit Eindhoven. 1987. 142 p.

79. Wang PC, Banas G, Lawrence V L. The role of failure mode, resistance spot weld and adhesive on the fatigue behavior of weld-bonded aluminum // J. Weld. 1995. №. 1. P. 41-47.

80. Feih S, Shercliff H R. Adhesive and composite failure prediction of single-L joint structures under tensile loading // Int J Adhesion Adhesives. 2005. №. 25. P. 47-59.

81. Dean G, Crocker L, Read B. Prediction of deformation and failure of rubber-toughened adhesive joints // Int J Adhesion Adhesives. 2004. №. 24. P. 295-306.

82. Castagnetti D, Dragoni E. Standard finite element techniques for efficient stress analysis of adhesive joints // Int J Adhesion Adhesives. 2009. №. 29. P. 125-135.

83. Beevers A, Steidler S M, Durodola J. Analysis of stiffness of adhesive joints in car bodies // J. Mater Process Tech. 2001. №.118. P. 96-101.

84. Сулегин Д. А. Методика совершенствования конструкций кузовов легковых и грузопассажирских автомобилей на стадии проектирования для обеспечения требований пассивной безопасности при боковом ударе // Дис. кан. техн. наук. Москва, 2021. 141 с.

85. Yang S. Modal Analysis and Lightweight Design of Engine Cylinder Head // Дис... маг. техн. наук. Китай, 2020. 73 p.

86. Севодина Н. В. Совершенствование методов определения прочности клеевых соединений на основе численного моделирования // Вестник пермского научного центра. 2014. Том. 2. С. 4-12.

87. Кудрявцев С. М., Пачурин Г.В., Соловьев Д. В., Власов В. А. Основы проектирования, производства и материалы кузова современного автомобиля// Нижний Новгород: Нижегородский гос. технический ун-т им. Р. Е. Алексеева, 2010. 233 с.

88. Phillip W. Yarrington, Craig S. Collier, Brett A. Bednarcyk Analysis of Composite Corrugated Panel Facesheet to Flange Joints // Collection of Technical Papers -AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. 2008. P. 2008-2092.

89. Wang L. Study on Adhesive Bonding Performance of Steel and Aluminum Used on Automobile // Дис. маг. техн. наук. Китай, 2007. 79 p.

90. Li Y. Energy-absorbing structure design and crashworthiness analysis of highspeed trains // Explosion and Shoch Waves. 2012. Vol. 35, №. 2. P. 164-170.

91. S. Marzi A Rate-Dependent Cohesive Zone Model for Adhesively Bonded Joints Loaded in Mode I // Journal of Adhesion Science and Technology. 2009. №. 23. P. 881-898.

92. M.R.G. Silva Behaviour under Impact of Mixed Adhesive Joints for the Automotive Industry // Latin American Journal of Solids and Structures. 2016. №. 13. P. 835-853.

93. R. Goncharov Crashworthiness design of truck's cabin using topological and parametric optimization // IOP Conf. Series: MateriaLS Science and Engineering. 2020. №. 820. P. 012033.

94. Phil Yarrington Failure Analysis of Adhesively Bonded Composite Joints // 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics & MateriaLS Conference. 2006. P. 1-15.

95. Xin Yang Modeling of high strength steel joints bonded with toughened adhesive // International Journal of Adhesion & Adhesives. 2012. №. 39. P. 21-32.

96. Wonbo Shim Simulating rate- and temperature-dependent behaviors of adhesives using a nonlinear viscoelastic model // Mechanics of Materials. 2020. №. 147. P. 103446.

97. M. D. Banea The Effect of Adhesive Thickness on the Mechanical Behavior of a Structural Polyurethane Adhesive // The Journal of Adhesion. 2015. №. 91. P. 331346.

98. Raul H. Andruet Two- and three-dimensional geometrical nonlinear finite elements for analysis of adhesive joints // International Journal of Adhesion & Adhesives.

2001. №. 21. P. 17-34.

99. R. Goncharov, V. Zuzov The study of parametric optimization algorithms on example of vehicle bumper crashworthiness // IOP Conf. Series: MateriaLS Science and Engineering. 2020. №. 820. P. 012030.

100. Федотов А. А., Ципенко А. В., Лебедев А. И. Численное моделирование клеевого ремонтного соединения //Научный Вестник МГТУ ГА. 2018. Том 21, №. 03. С. 125-135.

101. A. Matzenmiller, S. Gerlach, Mark Fiolka Progressive Failure Analysis of Adhesively Bonded Joints in Crash Simulations // Conf. Series: LS-Dyna Anwenderforum, Bamberg 2006. 10 p.

102. Z. Gul Apalak, Mustafa Kemal Apalak Progressive Damage Modeling of an Adhesively Bonded Unidirectional Composite Single-lap Joint in Tension at the Mesoscale Level // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2006. Vol. 19, №. 6. P. 671-702.

103. A. Al-Samhan, S.M.H. DarwishStrength prediction of weld-bonded joints International // Journal of Adhesion & Adhesives. 2003. №. 23. P. 23-28.

104. Forsberg J., Nilsson L. On polynomial response surfaces and kriging for use in structural optimization of crashworthiness // J. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2005. Vol. 29, №.3. P. 232-243.

105. Chen B., Liu K. , Tang H. Collision simulation and front structure crashworthiness optimization of aluminum train // Journal of Dalian Jiaotong University. 2013. Vol.34, №.6. P.10-13.

106. Xie S., Liang X., Zhou H. Crashworthiness optimisation of the front-end structure of the lead car of a high-speed train // Structural & Multidisciplinary Optimization. 2015. Vol.53, №.2. P.1-9.

107. Crash Simulation Vehicle Models // United States Department of Transportation. 2019. URL: https://www.nhtsa.gov/crash-simulation-vehicle-models#ls-dyna-fe-12101 (дата обращения: 22.10.2019).