自沖鉚接接頭拉剪強度的數值模擬研究
摘要：針對自沖鉚接接頭拉剪強度的數值模擬方法進(jìn)行研究。對0.7mm低碳鋼+0.7tnm低碳鋼同種材料自沖鉚接接 頭，0. 7mm低碳鋼+ 2mm鋁合金的異種材料自沖鉚接接頭的剪切拉伸過(guò)程建立有限元模型，并對其剪切拉伸過(guò)程及鉚 釘與板材的受力變形情況和破壞失效模式進(jìn)行了模擬和分析。從數值模擬結果可以看出，鋼-鋼同種材料與鋼-鋁異種 材料自沖鉚接接頭遵循不同的破壞模式：在鋼-鋼自沖鉚接接頭拉剪過(guò)程中，鉚釘從接頭處脫出從而造成接頭失效；而 鋼-鋁鉚接接頭失效則發(fā)生在母材上。對模擬結果進(jìn)行了試驗驗證，結果表明，有限元模擬結果與試驗結果吻合良好。 因此，綜合考慮了材料接觸形式和接頭形狀的有限元模型能夠很好地預測該類(lèi)接頭拉剪過(guò)程的破壞模式和拉剪強度。 關(guān)鍵詞：自沖鉚接；失效形式；拉剪強度；數值模擬
隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨激烈的競 爭，汽車(chē)車(chē)身結構逐漸朝著(zhù)減輕車(chē)重，降低成本的方向 發(fā)展。車(chē)身結構中必須使用大量的輕型材料，這就給 輕型材料之間的連接以及輕型材料與傳統鋼材之間的 連接帶來(lái)了很多新的問(wèn)題。在考慮輕型材料與傳統 鋼材之間的異種材料連接問(wèn)題時(shí)，由于異種材料的 熔點(diǎn)各不相同，使得像電阻點(diǎn)焊，弧焊等傳統的車(chē)身 連接技術(shù)，在異種材料的連接上有一定的局限性。 需要采用新的連接方法來(lái)替代傳統的汽車(chē)車(chē)身使用 的點(diǎn)焊技術(shù)。
由美國的HENROB公司與各國合作研究的自沖
鉚接技術(shù)（Self-Piercing Riveting，SPR)可以成功實(shí)現 異種材料的連接。相對于電阻點(diǎn)焊而言，自沖鉚接過(guò) 程噪音小，快捷，無(wú)污染，可以實(shí)現自動(dòng)化操作，并且連 接過(guò)程中沒(méi)有熱量傳導。該技術(shù)彌補了傳統車(chē)身焊接 技術(shù)在異種材料連接方面的不足，從而在車(chē)身制造中 得到越來(lái)越廣泛的應用[1_4]。
1993年開(kāi)始，奧迪汽車(chē)公司在奧迪A8全鋁汽車(chē) 上使用了自沖鉚接技術(shù)，使該技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)逐步開(kāi) 展起來(lái)L5]。然而，我國自沖鉚接技術(shù)的研究處于起步 階段，目前大多針對自沖鉚接的連接工藝進(jìn)行研究，對 自沖鉚接接頭的破壞形式及拉剪強度預測方法研究相
對較少^本工作采用數值模擬與試驗驗證相結合的方 法對鋼-鋼同種材料和鋼-鋁異種材料的自沖鉚接接頭 的拉剪過(guò)程進(jìn)行研究，分析兩種接頭的失效模式，提出 了自沖鉚接接頭拉剪強度的預測方法，預期能為汽車(chē) 車(chē)身連接材料的自沖鉚接接頭設計提供依據。
1分析對象
本工作對三種不同形式的自沖鉚接接頭進(jìn)行了分 析，板材的組合類(lèi)型及板材厚度情況見(jiàn)表1。
表1自沖鉚接接頭類(lèi)型及板材尺寸
2有限元建模
對自沖鉚接接頭的剪切拉伸過(guò)程采用商業(yè)有限元 軟件ABAQUS建立模型并進(jìn)行數值模擬。由于在自 沖鉚接接頭剪切拉伸過(guò)程中，材料發(fā)生變形的能量來(lái) 自于外加載荷，而能量的傳遞和消耗是靠材料間的接 觸和摩擦完成的。為了簡(jiǎn)化模型，模擬過(guò)程只考慮施 加的載荷，材料間的接觸情況和材料間的摩擦的因素， 不計接頭成形時(shí)產(chǎn)生的預緊力等因素的影響。
2.1模型的建立以及邊界條件
圖 1 為 0. 7mm GMW2+2mm AA6061 自沖鉚接 接頭的截面圖，按照圖中自沖鉚接接頭橫截面形狀及 尺寸，建立了如圖2所示的自沖鉚接接頭的有限元模 型，接頭模型的幾何尺寸如圖3所示?？紤]到接頭沿 中心面對稱(chēng)，故取1/2模型進(jìn)行計算。并按照相應的 方式來(lái)建立其余兩種接頭的有限元模型。
圖1鋼-鋁自沖鉚接接頭栽面圖
有限元模型中，包含三個(gè)部分：上層板材，下層板 材和鉚釘。三個(gè)部分之間的接觸類(lèi)型均使用 ABAQUS接觸關(guān)系里的通用接觸。
考慮到材料之間的摩擦系數，設定鋼-鋼之間的摩 擦系數為0. 15，鋁-鋼之間的摩擦系數為0. 17w。
邊界條件的設置與拉伸試驗情況一致，通過(guò)數值 模擬分析可以得到自沖鉚接接頭的力-位移曲線(xiàn)„
2.2有限元計算分析流程
在建立預測接頭強度的有限元模型時(shí)，必須找出 一個(gè)不會(huì )隨接頭形狀和位置變化而變化的物理量來(lái)作 為接頭的失效判據，在模擬計算過(guò)程中.可以通過(guò)這 個(gè)物理量來(lái)判斷接頭的失效情況，同時(shí)預測接頭強 度。在本文材料失效時(shí)的等效塑性應變PEEQ„作 為判斷參數，用于判斷母材是否失效；另外T在拉伸 過(guò)程中，通過(guò)鉚釘與下板之間是否存在接觸
