自冲铆接接头拉剪强度的数值模拟研究

 

摘要：针对自冲铆接接头拉剪强度的数值模拟方法进行研究。对0.7mm低碳钢+0.7tnm低碳钢同种材料自冲铆接接 头，0. 7mm低碳钢+ 2mm铝合金的异种材料自冲铆接接头的剪切拉伸过程建立有限元模型，并对其剪切拉伸过程及铆 钉与板材的受力变形情况和破坏失效模式进行了模拟和分析。从数值模拟结果可以看出，钢-钢同种材料与钢-铝异种 材料自冲铆接接头遵循不同的破坏模式：在钢-钢自冲铆接接头拉剪过程中，铆钉从接头处脱出从而造成接头失效；而 钢-铝铆接接头失效则发生在母材上。对模拟结果进行了试验验证，结果表明，有限元模拟结果与试验结果吻合良好。 因此，综合考虑了材料接触形式和接头形状的有限元模型能够很好地预测该类接头拉剪过程的破坏模式和拉剪强度。 关键词：自冲铆接；失效形式；拉剪强度；数值模拟

 

随着汽车工业技术的迅速发展和日趋激烈的竞 争，汽车车身结构逐渐朝着减轻车重，降低成本的方向 发展。车身结构中必须使用大量的轻型材料，这就给 轻型材料之间的连接以及轻型材料与传统钢材之间的 连接带来了很多新的问题。在考虑轻型材料与传统 钢材之间的异种材料连接问题时，由于异种材料的 熔点各不相同，使得像电阻点焊，弧焊等传统的车身 连接技术，在异种材料的连接上有一定的局限性。 需要采用新的连接方法来替代传统的汽车车身使用 的点焊技术。

 

由美国的HENROB公司与各国合作研究的自冲

铆接技术（Self-Piercing Riveting，SPR)可以成功实现 异种材料的连接。相对于电阻点焊而言，自冲铆接过 程噪音小，快捷，无污染，可以实现自动化操作，并且连 接过程中没有热量传导。该技术弥补了传统车身焊接 技术在异种材料连接方面的不足，从而在车身制造中 得到越来越广泛的应用[1_4]。

 

1993年开始，奥迪汽车公司在奥迪A8全铝汽车 上使用了自冲铆接技术，使该技术在汽车行业逐步开 展起来L5]。然而，我国自冲铆接技术的研究处于起步 阶段，目前大多针对自冲铆接的连接工艺进行研究，对 自冲铆接接头的破坏形式及拉剪强度预测方法研究相

 

对较少^本工作采用数值模拟与试验验证相结合的方 法对钢-钢同种材料和钢-铝异种材料的自冲铆接接头 的拉剪过程进行研究，分析两种接头的失效模式，提出 了自冲铆接接头拉剪强度的预测方法，预期能为汽车 车身连接材料的自冲铆接接头设计提供依据。

 

1分析对象

 

本工作对三种不同形式的自冲铆接接头进行了分 析，板材的组合类型及板材厚度情况见表1。

表1自冲铆接接头类型及板材尺寸

 

2有限元建模

 

对自冲铆接接头的剪切拉伸过程采用商业有限元 软件ABAQUS建立模型并进行数值模拟。由于在自 冲铆接接头剪切拉伸过程中，材料发生变形的能量来 自于外加载荷，而能量的传递和消耗是靠材料间的接 触和摩擦完成的。为了简化模型，模拟过程只考虑施 加的载荷，材料间的接触情况和材料间的摩擦的因素， 不计接头成形时产生的预紧力等因素的影响。

 

2.1模型的建立以及边界条件

 

图 1 为 0. 7mm GMW2+2mm AA6061 自冲铆接 接头的截面图，按照图中自冲铆接接头横截面形状及 尺寸，建立了如图2所示的自冲铆接接头的有限元模 型，接头模型的几何尺寸如图3所示。考虑到接头沿 中心面对称，故取1/2模型进行计算。并按照相应的 方式来建立其余两种接头的有限元模型。

图1钢-铝自冲铆接接头栽面图

 

有限元模型中，包含三个部分：上层板材，下层板 材和铆钉。三个部分之间的接触类型均使用 ABAQUS接触关系里的通用接触。

 

考虑到材料之间的摩擦系数，设定钢-钢之间的摩 擦系数为0. 15，铝-钢之间的摩擦系数为0. 17w。

 

边界条件的设置与拉伸试验情况一致，通过数值 模拟分析可以得到自冲铆接接头的力-位移曲线„

 

2.2有限元计算分析流程

 

在建立预测接头强度的有限元模型时，必须找出 一个不会随接头形状和位置变化而变化的物理量来作 为接头的失效判据，在模拟计算过程中.可以通过这 个物理量来判断接头的失效情况，同时预测接头强 度。在本文材料失效时的等效塑性应变PEEQ„作 为判断参数，用于判断母材是否失效；另外T在拉伸 过程中，通过铆钉与下板之间是否存在接触