目前,随着汽车产销量的快速增长,出现了能耗短缺、过度排放等一系列能源、环境问题,为了汽车行业的可持续发展,该领域对新能源车辆的研发越来越重视,其中轻量化已成为其关键核心技术之一。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)因质量轻、强度高、抗疲劳、抗腐蚀和可设计性好等特点,而备受汽车制造商的关注。另一方面,目前用高强度钢板代替普通中、低碳钢板,通过减薄厚度来实现车体结构的轻量化。上述两种主流轻量化材料在同一车体结构中的应用,必然会带来钢板与CFRP两种异质材料的安全可靠连接问题,这对提高整体结构性能和服役寿命起着至关重要的作用。本文针对Steel/CFRP两种异质材料的连接,基于局部热冲压技术,提出具有附加几何形貌特征的Steel/CFRP胶结工艺,将有限元仿真、工艺实验与拉伸剪切实验相结合,研究胶结接头的不同形貌特征对其失效载荷、剪切应力分布、剥离应力分布、断裂能及工艺实施稳定性的影响规律及原因,为Steel/CFRP胶结接头附加几何形貌特征分布及尺寸优化、工艺控制提供依据,以改善和提高Steel/CFRP胶结接头的力学性能及承载能力。主要结论如下:(1)设计了平板形、矩形凹槽、弧形凹槽、分布式圆柱形凹坑、分布式球形凹坑5种不同的局部附加几何形貌特征,基于胶结基本理论、复合材料力学、内聚力本构方程等理论,利用ABAQUS有限元仿真软件研究不同附加几何形貌特征对接头性能、承载能力、应力分布的影响,得到使接头性能较好的附加几何形貌特征及尺寸。(2)失效载荷随粘结长度的增加而呈线性增长趋势,但在粘结长度超过最佳有效粘结长度后,继续增加粘结长度,对接头性能提高贡献不大,反而会使胶结面积增大、结构重量及工艺复杂程度增加,难以控制胶层均匀性,易出现气泡、空隙等缺陷进而影响接头性能。(3)不同附加几何形貌特征的胶结接头,因胶结件间形成了机械互锁作用,使其应力分布与平板形有很大的不同;相对于平板形胶结接头而言,带有矩形凹槽、弧形凹槽、分布式圆柱及球形凹坑的附加几何形貌的胶结接头能够不同程度地提高接头的力学性能,其中分布式球形凹坑对提高接头性能最为有利。(4)局部附加几何形貌特征及其分布对Steel/CFRP胶结接头中应力分布、接头性能、承载能力及断裂损伤模式影响显著,存在明显的回弹及尺寸效应,需要进一步对“基于混合热冲压的局部变形胶结工艺”条件、附加几何形貌特征布局及尺寸进行优化,来提高接头性能及承载能力。(5)几种不同形貌特征的Steel/CFRP胶结接头承载能力的实验与仿真结果差别显著,仿真分析不同程度地过高估计了接头的承载能力,且附加几何形貌特征分布越复杂,仿真误差越大;其主要原因是钢板回弹引起粘结界面上残余应力重新分布、几何形貌特征尺寸效应及两者的耦合作用,减少了实际接触面积甚至引起脱粘,导致接头性能下降。(6)“基于混合热冲压的局部变形胶结工艺”,实现具有局部附加几何形貌特征的Steel/CFRP胶结连接,借助钢板与CFRP预浸料发生局部塑性变形形成的机械互锁作用、钢板的加工硬化效应来改善接头性能及承载能力是可行而有效的;但仍需严格控制工艺实施过程,并修正相应的材料模型,以提高利用有限元仿真手段进行工艺条件及附加几何形貌优化的可靠性。