隨著汽車複合材料的應用日益廣泛，複合材料汽車零部件之間的組合裝配以及複合材料部件與金屬構件間的連接成為了不可避免的問題，汽車行業傳統金屬零部件之間的連接方式已不能適應客觀需求，在此情況下，我們有必要了解和不斷改進汽車複合材料的連接和固定方式，並進行合理選擇。本文通過對汽車局部典型結構進行分析討論，總結出幾種適用於汽車碳纖維複合材料零部件裝配連接的常規設計方法及思路。
1、引言
汽車輕量化技術是節省能源、提高車輛行駛性能的有效方法之一，也是國內外汽車製造商追求的關鍵技術目標之一，複合材料在汽車輕量化中的地位舉足輕重。由於其成型工藝相較於金屬成型工藝的特殊性，考慮到在設計、工藝、維修、運輸等方面的需求，並從製造、裝配、使用和維護的實際需要出發，複合材料結構還保留著大量的設計分離面和工藝分離面，這些分離面需要在裝配階段與其他複合材料結構件或金屬結構件進行裝配連接。與金屬結構相比，複合材料具有層間剪切強度低、抗衝擊能力差等弱點，決定了其結構的裝配連接難度大、技術要求高的特點。合理選擇並運用複合材料的連接方式，是提高複合材料結構件強度、減輕結構重量、充分發揮複合材料優異特性的重要條件之一。
本文通過對汽車局部結構的典型實例進行描述分析，總結出幾種適用於汽車連續碳纖維複合材料零部件裝配連接的設計技術，即機械連接、膠粘連接和兩種方式的混合連接3種方法。
2、連接方式選擇
在複合材料連接設計技術中，選用何種連接方法，主要根據實際使用要求而定。一般來說，除了考慮到傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素外，還要從環境狀況、可檢測性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和製造成本等方面進行考慮。下面列出了機械連接、膠接及混合連接的應用特點及範圍，如表2.1所示。
表2.1 不同連接方式應用特點及使用範圍
3、連接設計
3.1機械連接
複合材料的機械連接是指將複合材料被連接件局部開孔，然後用鉚釘、銷釘、螺栓等將其緊固連接成整體。在複合材料的連接中，機械連接仍是主要的連接方法。機械連接設計除了要考慮選擇何種緊固件及連接形式外，還要對連接幾何參數、連接區的鋪層、防電偶腐蝕等方面進行詳細分析設計。
機械連接中幾何參數的定義，如圖3.1所示。
圖3.1機械連接幾何參數
為防止複合材料機械連接出現低強度破壞模式，並具有較高的強度，被連接板的幾何參數一般應按表3.1進行選取。
表3.1機械連接中幾何參數的選擇
連接區的鋪層設計需考慮孔周有較大的應力集中，這將明顯降低機械連接的承載能力。為提高複合材料機械連接的強度和柔性，連接區的鋪層設計一般應遵循以下原則：
a) 採用均衡對稱鋪層。採用均衡對稱鋪層可以消除由複合材料沿纖維方向和垂直纖維方向的熱膨脹係數不同而在加溫固化時所產生的內應力及由此而產生的翹曲；
b) ±45°層比例不低於40%，0°層比例不低於25%，90°層比例10～25%；
c) 相同方向的鋪層，沿層壓板厚度方向應儘可能地均勻散開，使相鄰層纖維間夾角最小；
d) 連接區局部加厚，保證連接區有足夠的強度；
e) 層壓板表面鋪設±45°層，可以改善層壓板的抗壓和抗衝擊性能，表面鋪設0°層有利於傳遞載荷；
f) 應避免在連接區拼接纖維；
g) 在載荷過渡區，中面兩側應有等量的+45°和-45°層。
在機械連接設計中，應採用可靠的防電偶腐蝕措施。應該重視濕裝配的作用，因為濕裝配不僅可以防腐，尤其對鉚接中難以完全避免的工藝損傷有彌補作用。常用的防護措施是在複合材料與金屬構件的接觸部位鋪覆一層玻璃布，塗膠或塗漆等，如圖3.2所示。重要或易腐部位，應該採取接頭全密封的方法來防腐。此種連接方式也屬混合連接。
圖3.2 緊固件防電偶腐蝕設計
3.2膠粘連接
複合材料的膠接是指藉助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實用、有效的連接工藝技術，在複合材料結構連接中應用較普遍。膠粘連接除了要考慮選擇何種膠粘劑與結構連接形式外，粘接接頭的設計好壞同樣將直接影響到粘接性能和強度。
汽車複合材料結構膠粘劑通常使用環氧樹脂、聚氨酯樹脂和丙烯酸酯樹脂為基礎的三大類粘結劑，該三大類粘結劑在使用中也各具特點，應該針對不同的材料和使用要求進行不同的選擇。
膠粘連接接頭的結構設計形式也是多種多樣的，根據被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據材料的粘接方式又可分為對接、搭接、插接、階梯搭接等等。從接頭形式看，一般認為插接結構比較理想，其次是搭接和斜搭接。但在實際應用中，主要根據被粘接製品的結構和需粘接的部位而具體確定。
膠接連接幾何參數的定義，以承受拉伸載荷P的等厚度單搭接連接為例，其連接幾何參數是：被膠接件厚度t、膠層厚度h和搭接長度L。
圖3.3膠粘連接幾何參數
被膠接件厚度t通常由需傳遞的載荷P來確定。膠層厚度h對連接強度有一定影響。增加膠層厚度，可以減小應力集中，提高連接強度；但厚度過大易產生氣泡等缺陷，反使強度下降，膠層薄則要求被膠接件間貼合度高，因而也不宜過薄，一般以0.2～0.5mm為宜。膠粘區域搭接長度L一般以15～20mm為宜。
3.3混合連接
將膠接與機械連接結合起來，從工藝技術上嚴格保證兩者變形一致、 同時受載，其承載能力和耐久性將會大幅度提高，可以排除2種連接方法各自的固有缺點。混合連接主要用於提高破損安全性、膠接連接的維修、改善膠接剝離性能等。
選用韌性膠粘劑，以便膠接的變形與機械連接的變形相協調。通常機械連接的變形總是大於膠接的變形（指面內變形），要滿足這一要求相當困難。
緊固件與孔的配合精度要高。如果膠層很脆，且緊固件與孔的配合又不夠精密，那麼連接試件的剪切變形就較大，將先引起膠層的剪切破壞，繼而引起緊固件的剪切破壞或孔的擠壓破壞，達不到預期的效果。
金屬-複合材料混合結構連接設計一般按照全複合材料連接設計的要求。全複合材料一般不推薦採用干涉配合。但在金屬-複合材料-金屬混合結構中，可以採用適當的干涉配合來提高金屬的疲勞性能。
4 工程設計實例
下面將舉例介紹汽車典型結構的連接設計應用。
在某車型複合材料後側圍外板與門檻縱梁的連接設計中，考慮到連接處為車體主承力結構,承載較大，並可拆卸，故採用螺栓連接方式，如圖4.1所示。螺栓及螺母下面放置墊圈，減少孔邊周圍的損傷，防止過大的擰緊力矩造成複合材料結構表面出現凹坑和裂紋等缺陷。
圖4.1 機械連接設計實例
圖4.2是為某整車廠進行複合材料前後蓋的開發項目實例，由於車身外覆蓋件承載較小且厚度較薄，採用膠粘連接方式即可滿足強度要求，前引擎蓋及後行李箱蓋內外板間採用邊緣膠粘密封連接設計，內板加強筋條翻邊與外板也進行粘接處理。
圖4.2 膠粘連接設計實例
在某車型複合材料後行李箱蓋內板加強板的連接設計中，考慮到局部膠粘連接失效，並保證破損安全，採用膠螺混合連接的方式進行設計，如圖4.3所示。加強板與內板局部貼合面先採用膠粘連接，在膠粘劑未固化時立即進行螺栓連接，節省裝配時間，實現批量化生產。
圖4.3 混合連接設計實例
5、結論
通過大量相關產品研發項目實踐經驗可知，以上所述三種連接設計技術可以滿足當前碳纖維複合材料產品設計及開發需求，對於不同連接方式的選擇需要根據構件的具體使用情況和設計要求來確定。隨著汽車複合材料產品的輕量化指標及批量化生產進程的發展，複合材料連接設計技術還有很多地方需要不斷進行更新和完善，對推動新能源汽車產業化具有重大的意義。