铝合金无铆钉自冲铆接仿真研究(一）

汽车工业作为国家工业的重要组成部分,成为国家综合实力的重要表征。随着当前越来越严峻地环境形势以及国家可持续发展战略地需求,汽车制造商对汽车环保性能越来越重视。轻量化作为提高汽车环保性能的主要方式,根据资料研究表明,若整车质量减轻10%,燃油经济性能够提高3.8%,CO排放量能够减少4.5%。在汽车轻量化研究中,铝合金、镁合金的密度是钢材的1/3, 因此铝合金、镁合金等轻质材料以其密度小、回收性能好等优势应用在车身结构件中对于减轻整车质量、提高燃油经济性、降低温室气体的排放量等方面具有非常积极的作用。当前铝合金镁合金等轻质材料在汽车上仍未得到广泛应用地一个原因是缺乏针对该材料的合适的连接技术。

无铆钉铆接技术在20世纪70年代由德国TOX技术公司发明之后,直至80年代,才得到迅速发展和应用。无铆钉铆接连接方式作为冷成形连接的一种方式,能够实现像铝合金这种点焊难于连接的轻金属,能够不破坏镀层或存在夹层的板料,不破坏表面涂层,连接接头强度高,易于实现自动化,同时相比于有铆钉自冲铆接具有不需要预冲孔工艺简单、不需要连接铆钉更加有利于轻量化等优点。

由于铆接技术受到德国托克斯公司专利保护的限制,因此当前国内外均在对于铆接的铆接工艺包括铆接成型过程以及接头的力学性能进行研究。李晓静等人对传统铆接、无铆钉自冲铆接和有铆钉自冲铆接三种基本类型的铆接工艺进行了对比,并对有铆钉自冲铆接成形过程和成形后接头力学性能进行了研究。龙江启等人对车身应用的新材料展开研究,建立神经网络模型,实现对铆接接头力学性能的模拟。上海交通大学的张丽将原有实际冲压试验替换为计算机仿真,对影响汽车用铝合金板回弹和回弹量的元素进行分析,并通过灵敏度分析和工艺稳健性设计,为将铝合金板更广泛地应用在车身冲压成形中提供了现实的理论基础。

国外研究中, varis等人对不同厚度的高强钢组合板件进行无铆钉铆接试验研究,对比了圆形和方形接头的性能,指出上层板料为较厚的板料时,圆形接头所能承受的的剪切载荷较高,并

应用计算机仿真的方法对连接成形过程进行研究,指出无铆钉铆接接头的两种失效模式:断裂和脱离。Chan- Joo Leel基于接头失效的两种模式提出了确定铆接模具参数的方法,通过得到的模具工艺参数与接头上板料颈厚值的关系,得到满足接头力学性能的最小的颈部厚度和镶入量进而反推确定模具工艺参数。 Oudjenel等利用 ABAQUS有限元软件,对接头剥离失效过程进行模拟对结果分析得出模具几何参数与接头剥离的最大载荷之间的关系。

但当前对于无铆钉铆接成形工艺的研究中对于铝合金板材冲压成形接头回弹的分析仍较少,对于压边力变化对于铆接接头回弹性能和力学性能影响的分析较少,因此本文在对特定尺寸模型进行铆接成形的基础上,对不同压边力条件下无铆钉铆接接头成形后回弹性能以及接头拉伸力学性能进行分析,研究接头的失效模式,得到考虑回弹和力学性能的条件下最佳的压边力。

1无铆钉铆接接头成形分析

1.1无铆钉铆接几何模型

自冲铆接工艺过程的模拟几何模型包括压边圈、上下板料以及上下模具等五部分。本文中将成形模具部分简化为刚性体。整个几何模型由五个部分构成:凸模、压边圏、上板料、下板料、凹模,上下板料间无间隙叠放。

按照目前国内无铆钉铆接的研究设计的模具尺寸获得板料厚度为1.5mm的模具尺寸如表表1所示。根据该模具尺寸建立无铆钉铆接板料和模具三维几何模型如图1所示。

1.2材料本构

通过对国内外汽车上应用金属材料类型的查阅,了解到当前车身制造中使用较多的轻量化铝合金材料为6系列的铝合金,因此本次无铆钉自冲铆接板料选定为为AA6061-T6铝合金板。而且,目前先进车身板件制造中常用的铝合金板材厚度介于1-3mm结合实际板材情况,本文最终确定仿真模型选用的板材为1.5mm的AA6061-T6铝合金板。

本构关系是用数学表达式的方式表述一种材料的力学特性,在本文中主要应用到车身上较为广泛应用的铝合金AA6061-T6本文采用的材料本构模型为塑性随动硬化材料模型。通过单向拉伸试验确定材料的基本力学性能参数如表2所示。

未完待续…..

文章引自《广东化工》2014年第11期

作者：李早科，胡浩，费丽爽，曹琪弦

来源：铆接交流社区