高强度7075铝合金温热自冲铆接过程数值模拟研究

摘要

高强度7075铝合金在室温下表现高强度、低塑性的特点,常温下的车身装配中并不能直接进行自冲铆连接.此外,铝合金电阻点焊接头力学性能不稳定以及胶粘工艺的低耐热性,使得该型铝合金无法大量引入汽车车身结构的批量生产中.针对上述问题,出现了一种新型温热自冲铆接工艺(Thermal Self-Pierce Riveting,T-SPR).由于高温环境下可有效降低7075铝合金的强度,提升其塑性,同时进行相应的热板料-冷模具自冲铆接,可确保该型铝合金的铆接质量和接头性能.本文基于上述新型自冲铆连接工艺,重点开展了T-SPR自冲铆接头连接过程的仿真模拟研究,通过评价接头剖面参数进而分析实际的铆接效果,并使用有限元软件对不同工艺因素下的接头质量进行评估,具体研究内容如下: 1.基于单向热力拉伸实验,测取高强度7075铝合金在300℃、350℃、400℃以及0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1应变率条件下的高温力学行为.实验结果显示高温环境可显著降低7075铝合金的屈服强度,抑制材料的硬化属性,同时较大程度地提高材料的塑性.其中,400℃下材料的抗拉强度为室温下的5%,较高应变率下的材料屈服强度与断裂应变相对提高,在0.1s-1条件下的材料断裂应变相对0.001s-1条件下可提高约16%. 2.基于Johnson-Cook本构关系和数值反算流程,获得了准确的7075铝合金高温热力学行为的特征参数.分别对比了原始J-C模型与一种修正J-C模型的硬化与断裂参数,并拟合了不同高温条件及应变率下的应力应变曲线,使用相关性系数与相对误差进一步评价了两类J-C模型在数据拟合度上的准确性.结果表明:修正J-C模型由于其考虑温度软化与应变率强化共同耦合作用,可以更好的表征7075铝合金的高温热力学行为,有助于后续建立准确的有限元仿真模型. 3.进一步开展了三种温度(300℃、350℃、400℃)条件下的温热自冲铆实验,并建立准确的T-SPR有限元仿真模型.通过引入拟合的J-C参数对7075铝合金温热自冲铆连接过程进行数值仿真,对比实验与仿真结果,分析T-SPR半剖接头的相关参数(互锁值、残余厚度、尾部张量),获得了T-SPR工艺的最优铆接温度区间(350-400℃).进一步通过数值模拟评价了其他工艺因素(铆钉尺寸、凸台高度、厚度搭配及板料层数)对T-SPR接头铆接效果的影响.结果表明:铆接温度及铆钉尺寸是影响T-SPR自冲铆接效果的主要因素.

目录

1. 绪论

1.1 引言

1.1.1 车身轻量化

1.1.2 7000系铝合金在汽车中应用

1.2 SPR自冲铆技术简介

1.3 国内外研究现状及分析

1.3.1 自冲铆成形工艺的研究

1.3.2 自冲铆接成形过程仿真的研究

1.3.3 高强度铝合金高温热力学性能研究

1.4 本文研究内容及意义

1.5 本章小结

2. 高强度7075铝合金高温拉伸实验

2.1 引言

2.2 7075铝合金热力拉伸实验

2.2.1 7075铝合金基础材料性能

2.2.2 7075铝合金高温力学实验

2.2.3 7075铝合金高温力学性能分析

2.3 本章小结

3. 基于Johnson-Cook模型的7075铝合金热力学行为描述

3.1 引言

3.2 J-C本构模型

3.2.1 J-C 本构模型参数求解

3.2.2 拟合效果对比

3.3 修正J-C本构模型

3.3.1 修正J-C本构模型参数求解

3.3.2 修正J-C拟合效果对比

3.4 拟合度评估

3.5 Johnson-Cook断裂模型

3.6 本章小结

4. 高强铝合金温热SPR自冲铆工艺实验

4.1 引言

4.2 高强度7075温热自冲铆工艺实验

4.2.1 T-SPR工艺原理

4.2.2 温热铆接（T-SPR）实验方案

4.2.3 实验过程

4.2 铆接接头子午半剖

4.3 温热自冲铆实验结果

4.3.1 单拉失效接头搭接剪切失效实验

4.3.2 数据结果分析

4.4 本章小节

5. 7075铝合金T-SPR铆接过程仿真预测

5.1 引言

5.2 仿真对标

5.3 温热自冲铆仿真模拟

5.3.1 温热自冲铆仿真

5.3.2 关键要素的拾取

5.3.3 有限元模型建立

5.4 结果分析

5.4.1 接头剖面参数分析

5.4.2 温热自冲铆力位移曲线输出

5.5 工艺因素对T-SPR铆接接头质量的影响

5.5.1 铆接温度对T-SPR铆接接头质量的影响

5.5.2 铆钉尺寸对T-SPR铆接接头质量的影响

5.5.3 模具类型对T-SPR铆接力学行为的影响

5.5.4 不同厚度组合对T-SPR铆接接头质量的影响

5.5.5 三层板料组合对T-SPR铆接接头质量的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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