無鉚釘鉚接接頭力學(xué)性能優(yōu)化研究*

莊蔚敏張凱希劉學(xué)成李兵

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

無鉚釘鉚接接頭力學(xué)性能優(yōu)化研究*

莊蔚敏1張凱希1劉學(xué)成2李兵1

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

建立了AL6063鋁合金板和DC04鋼板無鉚釘鉚接有限元模型，通過無鉚釘鉚接試驗驗證了該有限元模型的準(zhǔn)確性，并從試驗和仿真兩方面分析了板料間摩擦因數(shù)對鉚接接頭尺寸的影響規(guī)律。以接頭抵抗的最大軸向載荷作為接頭力學(xué)性能優(yōu)劣的判斷依據(jù)進(jìn)行了接頭力學(xué)性能優(yōu)化研究，確定了一組最優(yōu)參數(shù)組合方案。

1 前言

無鉚釘鉚接作為一種新型連接技術(shù)，解決了點焊在鋼鋁異種金屬連接中的缺陷，已逐漸運(yùn)用于汽車覆蓋件的連接工藝中。相關(guān)研究表明，無鉚釘鉚接（下稱鉚接）接頭性能對車身零件連接性能有顯著影響，而板料間摩擦因數(shù)是影響接頭成型性能和力學(xué)性能的關(guān)健因素[1～6]，但目前尚缺乏摩擦因數(shù)對鉚接接頭性能影響規(guī)律的研究。為此，本文建立了6063鋁合金板和DC04鋼板鉚接接頭有限元模型，采用GISSMO損傷模型判斷失效，分析了摩擦因數(shù)對接頭尺寸的影響規(guī)律，并對接頭力學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化研究。

2 有限元模型

2.1 模型建立

2.1.1 鉚接模型和力學(xué)模型

采用LS-DYNA軟件建立鉚接模型和力學(xué)模型，對鉚接過程和接頭力學(xué)性能進(jìn)行分析。

建立的鉚接模型如圖1所示，鉚接模型中采用二維軸對稱單元，單元大小為0.1 mm×0.1 mm，鉚接上、下板厚度均為2.0 mm。設(shè)計的鉚接模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，模具間隙d、模具深度h和凹模凹槽半徑r是影響鉚接接頭力學(xué)性能的主要參數(shù)。

鉚接接頭抵抗徑向載荷和軸向載荷的能力是判斷接頭力學(xué)性能的重要依據(jù)，為此，分別建立單向拉伸力學(xué)模型和十字剪切力學(xué)模型來模擬接頭不同受力情況，以得到接頭抵抗的最大徑向載荷和最大軸向載荷。鉚接接頭力學(xué)性能有限元模型如圖3所示。

3.2 試驗驗證

模型上板件采用AL6063鋁合金板，下板件采用DC04鋼板，兩種材料屬性見表1。

表1 兩種材料屬性

模型使用了LS DYNA軟件中24號分段線性塑性材料模型，24號材料模型中依據(jù)Cowper-Symonds方程給出不同應(yīng)變率下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，即

2.1.3 斷裂準(zhǔn)則

采用GISSMO損傷模型判斷模型上、下板件的失效。GISSMO損傷模型是一個基于損傷累積的增量方程，可以通過更改方程中的變量來描述不同金屬材料包括軟化和失效在內(nèi)的損傷狀態(tài)，增量方程[8]為：

式中，D為損傷因子；ΔD為損傷增量；DMGEXP為非線性損傷累積指數(shù)；εf為失效等效塑性應(yīng)變；Δεp為失效等效塑性應(yīng)變增量。

數(shù)據(jù)建設(shè)包括制定和完善數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升，建立數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)交換及監(jiān)控管理平臺，做好數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用及監(jiān)管等。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，越來越多的人涌進(jìn)城市，使得我國的城市化水平不斷提高。青島市作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的城市，同時作為美麗的海濱城市，其人口城市化率每年都在提高（見圖1）。

2.2 試驗驗證

2.1.4 邊界條件

鉚接試驗時，凸模進(jìn)給速度為10 mm/s，由于調(diào)整凸模進(jìn)給速度并不影響成型結(jié)果，為節(jié)省模型運(yùn)算時間，設(shè)置凸模平均進(jìn)給速度為1 500 mm/s[11]。在鉚接模型中設(shè)置凹模保持靜止，壓邊力為2 500 N，接觸條件為面面接觸。接觸條件中摩擦因數(shù)通過摩擦磨損試驗測得，如表2所列。

將力學(xué)性能模型中的下板件設(shè)置為固定，對單向拉伸模型的上板件外端施加橫向位移，對十字剪切模型上

昆明市發(fā)展鄉(xiāng)村旅游的鄉(xiāng)鎮(zhèn)大多處于偏僻地區(qū)，團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)則位于昆明市西郊。近年來，團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)通過新農(nóng)村建設(shè)等途徑，在一定程度上提升了城鎮(zhèn)化水平，但基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相比其他地區(qū)依然落后，農(nóng)村道路和衛(wèi)生條件有待改善，人口素質(zhì)有待提高。

板件兩端施加縱向位移，通過接頭破壞時的接觸反力計算接頭抵抗的徑向載荷和軸向載荷。

項目總負(fù)責(zé)人Bernard Bigot對天空新聞網(wǎng)稱，無論是太陽能還是風(fēng)能都具有太分散和不可預(yù)測的特性，無法滿足一個對能量需求更多的世界。他聲稱，地球上的人口接近80億，而且很快將達(dá)到100億。人類需要大量可預(yù)測的連續(xù)能源。那也是可再生能源不夠的原因。當(dāng)沒有足夠的太陽能和風(fēng)能時，你就能夠使用核聚變能。

103例淋巴瘤患者中，ESR升高組為66例（64.1%），ESR正常組為37例（35.9%）。ESR升高組和和正常組SUVmax分別為8.71±4.50和10.55±7.17，二組間SUVmax差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表2 AL6063與DC04的摩擦因數(shù)

采用AL6063鋁合金材料建立平板單向拉伸仿真模型，以驗證GISSMO損傷模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖4所示[9,10]。由圖4可看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，這表明了GISSMO損傷模型的準(zhǔn)確性，可用于模擬材料失效。

鉚接試驗?zāi)＞呷鐖D5所示，試驗時凸模進(jìn)給速度為10 mm/s，壓邊力為2 500 N，板料處于自然摩擦狀態(tài)，共進(jìn)行3組試驗。圖6為仿真接頭成型截面與試驗接頭成型截面對比結(jié)果。

c.模具間隙d。d過小易沖斷上板件，d過大則接頭無法形成有效自鎖，所以選取d為1.6～2.0 mm。

3 摩擦因數(shù)對接頭尺寸的影響

3.1 仿真試驗

影響鉚接接頭力學(xué)性能的主要因素為接頭的頸厚值Tn和嵌入量Tu。

在其它參數(shù)不變的情況下，取摩擦因數(shù)分別為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55和0.65來分析摩擦因數(shù)對接頭尺寸的影響，試驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，隨摩擦因數(shù)的增加，接頭頸厚值Tn逐漸減小，在摩擦因數(shù)為0.35～0.65時Tn變化較?。浑S摩擦因數(shù)的增加，接頭嵌入量Tu逐漸增大，在摩擦因數(shù)為0.45～0.65時Tu增長較慢。

2.1.2 材料參數(shù)

食品產(chǎn)業(yè)在近年來得到了迅速的發(fā)展，在成績背后，除了業(yè)界不斷推動新品銷售之外，還有另外一個重要的原因——行業(yè)內(nèi)緊跟年輕消費(fèi)者的需求，從包裝的材質(zhì)、外觀甚至店鋪整體銷售環(huán)境上做出了升級。

進(jìn)行了3種不同摩擦狀態(tài)的鉚接試驗，3種摩擦狀態(tài)分別為潤滑狀態(tài)、自然狀態(tài)和打磨狀態(tài)，3種狀態(tài)下的摩擦因數(shù)分別為0.05、0.35和0.65。將鉚接試驗得到的接頭利用線切割工藝沿接頭直徑方向切開得到接頭剖面，測量后得到9組接頭尺寸，如表3所列。

表3 不同摩擦因數(shù)無鉚釘鉚接接頭尺寸

建立5組不同板厚和模具尺寸的有限元模型，得到不同接頭抵抗的最大徑向載荷和最大軸向載荷，如表4所列。由表4可知，接頭抵抗的軸向載荷遠(yuǎn)小于接頭抵抗的徑向載荷，故以接頭抵抗的最大軸向載荷作為接頭力學(xué)性能優(yōu)劣的判斷依據(jù)。

損傷因子D在損傷累積中的初始值設(shè)置為1×10-20，D=0時單元為無損傷狀態(tài)，D=1時則認(rèn)為單元失效。損傷累積指數(shù)DMGEXP設(shè)置為0.01。失效等效塑性應(yīng)變εf是根據(jù)失效塑性應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的關(guān)系曲線定義。對于平面應(yīng)力單元，應(yīng)力三軸度的范圍為-2/3～2/3；對于三維實體單元，應(yīng)力三軸度的范圍為-1～1。

4 接頭力學(xué)性能優(yōu)化

4.1 判斷依據(jù)

由表3可知，隨板料間摩擦因數(shù)的增加，接頭頸厚值Tn減小、嵌入量Tu增大。仿真得到的接頭尺寸值與試驗結(jié)果相比誤差小于20%。

4.2 參數(shù)優(yōu)化

4.2.1 參數(shù)范圍選擇

a.凹模凹槽半徑r。r過小會導(dǎo)致板材流動不充分，接頭自鎖不足；r過大會導(dǎo)致上板因過分拉伸而破壞。選取r為0.4～1.0 mm。

當(dāng)其他條件相同時，稅后凈經(jīng)營利潤越大，EVA指標(biāo)越高。所以企業(yè)管理者必須對投資進(jìn)行有效管理，充分考慮投資成本，把不具投資價值和非核心業(yè)務(wù)進(jìn)行剝離，有學(xué)者研究表明EVA考核確實提升了企業(yè)價值，并且這種提升作用主要是通過抵制企業(yè)過度投資而影響的。加大核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域投資，合理規(guī)劃投資項目組合，有助于企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展，實現(xiàn)企業(yè)資源的優(yōu)化。

表4 不同板厚和模具尺寸組合下接頭抵抗的最大徑向載荷和最大軸向載荷

b.凹模深度h。h過小會使板材被擠出凹模型腔，接頭表面不平整；h過大則接頭自鎖不足。選取h為1.8～2.2 mm。

由圖6可看出，接頭的上板件沒有發(fā)生過分的拉伸變形，同時形成有效的機(jī)械自鎖，仿真接頭尺寸與試驗接頭尺寸基本相符，由此表明，仿真模型可準(zhǔn)確模擬鉚接成型過程。

d.摩擦因數(shù)μ。根據(jù)摩擦因數(shù)對接頭尺寸的影響分析，摩擦因數(shù)選擇為0.05～0.65。

4.2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

產(chǎn)品質(zhì)量保障能力是企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和質(zhì)量事故監(jiān)測，以及質(zhì)量事故和風(fēng)險控制的能力。從產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)過程和售后服務(wù)角度來看，即企業(yè)是否建立相應(yīng)保障機(jī)制，監(jiān)測質(zhì)量狀況和識別質(zhì)量風(fēng)險，及時解決潛在的質(zhì)量風(fēng)險，對已經(jīng)發(fā)生的事故進(jìn)行分析，避免類似批次性質(zhì)量問題的再發(fā)生。由此可見，產(chǎn)品質(zhì)量保障能力包括計量管理水平、認(rèn)證管理水平、質(zhì)監(jiān)部門監(jiān)督抽查狀況、質(zhì)量事故記錄情況、市場反饋及投訴記錄情況、產(chǎn)品質(zhì)量獲獎情況等內(nèi)容。

分別改變模型中r、h、d、μ等4個參數(shù)值，通過仿真得到不同參數(shù)與接頭抵抗的最大軸向載荷間的關(guān)系，如圖8所示。

a.由圖8a可看出，隨凹槽半徑r的增大，軸向載荷呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)凹槽半徑r為0.6。

總之，不管是黨委還是政府，也不管是哪個地方哪個部門，都要把著眼點放在經(jīng)常性工作方面，都要找到自己“應(yīng)該經(jīng)常死死抓住不放的事情”。每個部門、每個人的經(jīng)常性工作都“到位”了，我們的事業(yè)一定會興旺發(fā)達(dá)。

b.由圖8b可看出，隨凹模深度h的增大，軸向載荷呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)凹模深度h為2.0 mm。

社交媒體日漸普及，電子商務(wù)蓬勃發(fā)展，粉絲不僅可以建立起互通有無的社交網(wǎng)絡(luò)，還積極參與各種商業(yè)文化的生產(chǎn)，粉絲進(jìn)入媒介市場的壁壘被打破。

c.由圖8c可看出，隨模具間隙d的增加，軸向載荷呈先增大后減小的趨勢，最優(yōu)模具間隙d為1.8 mm。

d.由圖8d可看出，隨摩擦因數(shù)μ的增大，接頭抵抗的最大軸向載荷趨于減小，摩擦因數(shù)μ為0.05時接頭抵抗的軸向載荷遠(yuǎn)大于摩擦因數(shù)為0.65時的載荷，所以最優(yōu)摩擦因數(shù)μ為0.05。

5 結(jié)束語

研究了AL6063和DC04異種金屬無鉚釘鉚接接頭性能，從仿真和試驗兩方面分析了摩擦因數(shù)對接頭尺寸的影響。結(jié)果表明，增大板料間摩擦因數(shù)可獲得較大的嵌入量，但頸厚值隨摩擦因數(shù)的增大而減小。以接頭抵抗的最大軸向載荷作為接頭力學(xué)性能好壞的判斷依據(jù)，進(jìn)行了接頭力學(xué)性能優(yōu)化研究，確定了最優(yōu)參數(shù)組合方案。

2017年，原國土資源部批準(zhǔn)實施《海南省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃(2016—2020年)》，指出“海南省將統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)開發(fā)、合理利用和依法保護(hù)礦產(chǎn)資源”。從2017年起，停止審批新設(shè)非國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查項目；嚴(yán)格控制鉬、鋯英石、鈦鐵礦、螢石、石英砂、飾面石材、高嶺土等礦產(chǎn)的開采總量，禁止開采稀土、珊瑚礁灰?guī)r以及占用耕地采挖磚瓦粘土礦產(chǎn)。

本工程為南昌某別墅，地上3層，其中每層建筑面積為158m2，為防止地下水直接進(jìn)入機(jī)組造成板式換熱器反復(fù)清洗等問題，擬采用加裝中間換熱器的地下水源熱泵系統(tǒng)，設(shè)置1臺水-水熱泵機(jī)組，水源側(cè)配置2口抽灌兩用井，設(shè)計井深30m，每口井內(nèi)各設(shè)1臺深井泵，空調(diào)側(cè)配置1臺循環(huán)水泵，3層樓的臥室、書房以及客廳等均采用風(fēng)機(jī)盤管加地板輻射采暖相結(jié)合的空調(diào)模式，夏季用風(fēng)機(jī)盤管供冷，冬季可用風(fēng)機(jī)盤管或地板輻射采暖。

1 何玉林.金屬板料無鉚釘自沖鉚接成型規(guī)律的研究：[學(xué)位論文].桂林：桂林電子科技大學(xué)，2009.

2 楊小寧，佟錚，趙麗萍，等.金屬板件壓接數(shù)值模擬及模具設(shè)計.模具工業(yè)，2006.

3 劉麗亞.無鉚釘連接技術(shù)研究及有限元模擬：[學(xué)位論文].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

4 Chan Joo Lee,Jae Young Kim,Sang Kon Lee,et al.Design of mechanical clinching tools for joining of aluminium alloy sheets.Oxford：Materials and Design,2010：1854～1861.

5 Coppieters Sam,Steven Cooreman,Pascal Lava,et al.Repro?ducing the experimental pull-out and shear strength of clinched sheet metal connections using FEA.Paris:Interna?tional Journal of Material Forming,2012:123～13.

6 Casalino G，Rotondo A A.Ludovico On the numerical model?ling of the multiphysics self piercing riveting process based on the finite element technique.Oxford:Advances in Engi?neering Software,2008:787～795.

7 Porcaro R，Langseth M，Weyer S.An experimental and nu?merical investigation on self-piercing riveting.Paris:Inter?national Journal of Material Forming,2008:1307～1310.

8 Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA KEYWORD USER'S MANUAL.2012.

9 朱浩，朱亮，陳劍虹，等.不同應(yīng)力狀態(tài)下鋁合金變形及損傷機(jī)理的研究.稀有金屬材料與工程，2007.

10 Bridgman PW,Percy Williams.Studies in large plastic flow and fracture.Cambridge:Harvard University Press, 1952.

11 Abe Y,Kato T,Mori K.Joinability of aluminium alloy and mild steel sheets by self piercing rivet.Lausanne:Journal of Materials Processing Technology，2006：417～421.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年10月23日。

Research on Mechanical Property Optimization of Clinching Joint

Zhuang Weimin,Zhang Kaixi1,Liu Xuecheng2,Li Bing1
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University; 2.China FAW Group Corporation R&D Center）

A FE model for AL6063 aluminum alloy plate and DC04 steel clinching are established,and accuracy of this model is validated with clinching test,the effect law of friction coefficient between sheet metals on dimensions of clinching joint is analyzed through test and simulation.Finally,joint mechanical property optimization is investigated with the maximum axial load of joint resistance used as the assessment criteria of joint mechanical behavior,a set of optimal clinching parameters are defined.

Clinching,Joint mechanical property,Optimization

無鉚釘鉚接 接頭力學(xué)性能 優(yōu)化

U463.82

A

1000-3703（2015）12-0040-04

國家自然科學(xué)基金（51375201），汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟開放基金（2013）。