车身无铆钉接头静力学性能研究及优化

论文摘要

世界能源危机和环境危机促使汽车工业沿着轻量化方向发展，因此轻质材料如铝合金、镁合金等被大量的应用在车身覆盖件中，而对于传统的点焊连接工艺，铝镁合金具有较高的导热性、表面易于氧化等特点限制了点焊在铝镁合金上的应用，而对于不同材料的连接，由于熔点和热膨胀系数差异较大焊接时焊点出现硬而脆的金属化合物，难以实现有效地焊接接头。因此国外TOX公司提出无铆钉铆接连接工艺用于连接铝镁合金等轻质材料以及应对不同合金之间的连接。无铆钉铆接工艺能实现铝、镁合金等轻质材料的连接，且能对多层板料、不同板料进行连接，连接过程不破坏板料涂层、不产生应力集中，本文主要基于有限元的方法对无铆钉铆接工艺展开研究，其中包括：首先利用有限元ABAQUS软件的动态显式求解算法对无铆钉铆接成形过程进行准静态分析，对模拟结果进行分析表明成形过程中高应力单元出现在接头颈部处，由于上板料在冲压过程中被过度拉伸因此变薄最为严重，容易在成形过程中被冲断。并对无铆钉铆接成形规律进行研究，得出模具主要工艺参数对接头尺寸Tn和Tu的影响：随着模具间隙的增加，接头尺寸Tn增加，Tu降低；随着凹模深度的增加接头尺寸Tu增加。此外本文还提出无铆钉铆接初始模具尺寸的确定步骤。在无铆钉铆接的实际应用过程中，先确定初始模具尺寸，在按照模具参数优化方案对初始模具进行优化。然后利用有限元方法计算无铆钉铆接接头在轴向载荷作用下的力学性能，接头失效模式，并与现有无铆钉铆接产品作对比验证无铆钉铆接接头力学性能有限元模型的正确性。铆接过程中板料发生塑性变形，材料加工硬化特性对铆接接头的力学性能具有加强的作用，本文利用FORTRAN语言编写程序对接头力学性能有限元模型的材料模型进行修改，对每个网格单元分别定义加工硬化后的材料应力-应变曲线。得出结论：对于硬化指数较大的材料，材料加工硬化特性加强了接头的力学性能，加强程度随着硬化指数的增大而增加。在计算出接头力学性能的基础上，确立优化方案对无铆钉铆接初始模具进行优化，优化方案主要根据模具工艺参数和接头尺寸Tu和Tn变化趋势规律入手。此外还研究了无铆钉铆接接头在车身布置上的理想宽度，对于主要受到轴向载荷的接头，接头的布置主要看两连接件所受的最大载荷，根据接头的数量考虑接头的位置对接头进行布置；对于主要受到切向载荷的接头，在布置时最理想方案是让接头强度和板料屈服强度相等，此时接头布置的宽度为最理想宽度。最后研究板料之间摩擦系数对铆接效果的影响。通过试验对铝合金板料之间摩擦系数进行测量，测出在低速低载工况下铝板之间滑动摩擦系数为0.41，铝板与钢板之间滑动摩擦系数为0.35。利用有限元数值模拟和试验相结合的方法研究板料间摩擦系数对无铆钉铆接成形效果的影响，得出结论：随着摩擦系数的增加接头尺寸Tu增加，尺寸Tn减少。无铆钉铆接在应用过程中可以通过简单的改变板料之间的摩擦状态来优化成形后无铆钉铆接接头。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 无铆钉铆接工艺
• 1.2.1 无铆钉铆接技术特点
• 1.2.2 无铆钉铆接接头形式
• 1.2.3 无铆钉铆接过程
• 1.3 无铆钉铆接接头
• 1.3.1 无铆钉铆接接头失效模式和力学性能
• 1.3.2 影响接头尺寸的工艺参数
• 1.4 无铆钉铆接技术国内外发展现状和发展前景
• 1.4.1 无铆钉铆接技术国内外发展现状
• 1.4.2 发展前景
• 1.5 本文研究内容技术路线
• 1.6 研究意义和可行性分析
• 第二章 无铆钉铆接成形过程数值模拟和成形规律研究
• 2.1 无铆钉铆接成形过程有限元模型
• 2.2 无铆钉铆接成形过程模拟结果分析
• 2.2.1 接头二成形过程模拟结果分析
• 2.2.2 成形后两接头尺寸
• 2.3 无铆钉铆接成形规律研究
• 2.3.1 模具间隙和凹模深度对铆接接头尺寸的影响
• 2.3.2 凸模圆角半径对成形接头尺寸的影响
• 2.4 无铆钉铆接初始模具尺寸的确定
• 2.5 本章小结
• 第三章 无铆钉铆接接头力学性能及铆接工艺优化
• 3.1 无铆钉铆接接头力学性能有限元模型
• 3.2 无铆钉铆接接头力学性能分析结果
• 3.2.1 接头在轴向载荷下应力应变分布特点
• 3.2.2 接头所能抵抗最大轴向载荷
• 3.3 加工硬化特性对接头力学性能的影响
• 3.3.1 材料幂指数硬化模型
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 无铆钉模具工艺参数优化
• 3.4.1 第一组初始模具参数优化
• 3.4.2 第二组初始模具参数优化
• 3.4.3 模具参数优化过程
• 3.5 无铆钉铆接接头布置优化
• 3.5.1 无铆钉铆接接头在轴向载荷作用下最理想宽度
• 3.5.2 无铆钉铆接接头在切向载荷作用下的最理想宽度
• 3.6 本章小结
• 第四章 板料间摩擦系数对无铆钉铆接成形的影响
• 4.1 板料间摩擦系数的测量
• 4.1.1 摩擦磨损试验机
• 4.1.2 实验条件的确定
• 4.1.3 试验结果分析
• 4.2 应用有限元方法研究摩擦系数对成形效果的影响
• 4.2.1 建立有限元模型
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 无铆钉铆接成形试验
• 4.3.1 试验方案设计
• 4.3.2 无铆钉铆接成形试验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 后记和致谢