CN111079257B - 一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热熔自攻丝铆接技术领域，公开了一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法。本发明通过热熔自攻丝铆接成形仿真获得热熔自攻丝铆接接头三维模型，提取成形过程中的温度分布云图；然后将温度分布云图划分为多个温度区间，提取每个温度区间对应的宽度；对每个温度区间的铆接接头进行硬度检测，对各个温度区间的铆接接头材料本构模型数据库进行更新，并应用到修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型的各个区域，得到热熔自攻丝铆接接头模型。本发明可在极大程度上降低建模工作量的同时获得精确的铆接接头三维模型，可以更准确描述有限元分析中材料的承载和变形行为，仿真结果与试验结果的一致性好。

Description

一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法

技术领域

本发明涉及热熔自攻丝铆接技术领域，尤其涉及一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法。

背景技术

在新能源汽车发展以及白车身轻量化的发展趋势下，铝合金被越来越广泛地使用，因此在异种材料的连接方面，传统点焊实施较为困难。

热熔自攻丝铆接是一种新型的异种材料连接工艺，其原理为高速旋转的铆钉摩擦、软化板材，在下压力和转矩的共同作用下铆钉在板件内部钻出螺纹，形成紧密螺纹连接。热熔自攻丝具有工艺简洁、加工清洁、可实现单边连接、接头强度高、材料组合灵活性高、易修复等技术优势，不仅是白车身异种材料连接过程中重要的工艺技术之一，在农用机械、汽车配件、机床、船舶及自动化设备等生产过程中均得到一定应用。

在热熔自攻丝铆接成形过程中，铆钉转速范围会达到1500～1800r/min，材料表面温度能够达到150～250℃，局部区域产生瞬时摩擦热和塑性变形热，铆接局部板材在高温影响下软化，强度明显降低，板材强度处于一种不均匀状态，导致在铆钉剪切力和挤压力的作用下发生巨大塑性变形，所形成铆接接头几何特征复杂，而不同工艺参数下亦会具有不同的铆接成形特征，这都是影响结构设计合理性、连接工艺合理性和结构强度可靠性的关键因素，三维模型建立困难。现有技术中通过大量的实验对接头强度进行分析，但是对于不同材质、不同尺寸的连接方式的大量实验分析，将浪费大量的财力、物力，严重影响研发效率，因此有必要采用三维建模的方式进行仿真。

目前对热熔自攻丝铆接接头的建模，多数研究了热熔自攻丝铆接中钻孔下压力、钻孔刀头最大转速和锁紧扭矩等特征参数，大都忽略了瞬时高温对材料的影响，更无法准确描述高温对材料的影响，同时，建模过程中对铆接接头过度简化，接头传力路径明显改变，这种建模方式导致铆接接头模型强度与实际铆接接头强度存在较大偏差，失去强度预测的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，以解决热熔自攻丝铆接接头三维模型的精确建立和仿真问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，包括如下步骤：

第一步，通过热熔自攻丝铆接成形仿真获得热熔自攻丝铆接接头三维模型，提取成形过程中的温度分布云图；；

第二步，将温度分布云图划分为多个温度区间，提取每个温度区间对应的宽度。

第三步，对每个温度区间的铆接接头进行硬度检测，对各个温度区间的铆接接头材料本构模型数据库进行更新。

第四步，对第一步中的热熔自攻丝铆接接头三维模型进行修正，并划分网格，建立修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型。

第五步，对修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型进行区域划分，并对各个区域应用材料本构模型，得到热熔自攻丝铆接接头模型。

作为优选，第二步中所述温度分布云图的温度范围为293K～660K，以614K、568K、522K、477K和293K为分界点，划分为六个温度区间，在温度分布云图上提取每一个温度区间的宽度。

作为优选，第三步所述更新包括铆接接头材料硬度和强度更新，所述强度根据铆接接头材料的强度和硬度关系式得到。

作为优选，所述强度和硬度关系式为：

σ_b≈3HV±5％HV

其中，σ_b表示材料的强度，HV表示材料的硬度。

作为优选，第五步中所述区域划分是指根据各温度区间对应的宽度对铆接接头进行区域划分。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过热熔自攻丝铆接成形仿真获得铆接接头三维模型，可在极大程度上降低建模工作量的同时获得精确的铆接接头三维模型。

(2)本发明通过更新不同温度区间内热熔自攻丝铆接接头材料本构模型数据库，建立了考虑温度影响的热熔自攻丝铆接接头模型，可以更准确描述有限元分析中材料的承载和变形行为，仿真结果与试验结果的一致性好。。

附图说明

图1为本发明的一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法流程图；

图2为实施例中热熔自攻丝铆接接头的温度区间分布云图；

图3为实施例中对热熔自攻丝铆接接头的温度分布云图进行温度区间划分示意图；

图4为实施例中建立的热熔自攻丝铆接接头模型的仿真结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明提供一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，如图1所示流程，所述建模和仿真方法包括如下步骤：

第一步，通过热熔自攻丝铆接成形仿真获得热熔自攻丝铆接接头三维模型，提取成形过程中的温度分布云图。

对热熔自攻丝铆接成形过程进行仿真，根据需要连接的铆接材料的尺寸和工艺参数(如转速和进给速度等)建立热熔自攻丝铆接成形有限元模型，提取成形过程中温度最高时刻的温度分布云图，以通用三维模型格式导出、保存成形仿真计算获得的铆接接头三维模型。

所述铆接材料为铝合金。

第二步，将温度分布云图划分为多个温度区间，提取每个温度区间对应的宽度。

如图2所示，对于铝合金铆接接头的温度分布云图中的温度范围为293K～660K，从热熔自攻丝向两侧对称分布。将温度分布云图划分几个温度区间，提取每个温度区间对应的宽度。

图3所示异种材料之间的热熔自攻丝铆接，由于表面材料与自攻丝之间存在空隙，因此二者之间的热熔效果可忽略，仅考虑自攻丝与底层材料之间热熔效果。

将图2中所示的温度分布云图划分为六个温度区间，以614K、568K、522K、477K和293K为分界点，分别为温度影响一区(660K～614K)、温度影响二区(614K～568K)、温度影响三区(568K～522K)、温度影响四区(522K～477K)、温度影响五区(477K～293K)和未影响区(293K以下)。由于合金硬度受温度影响较大，因此在高温部分划分温度区间比较密集，低温划分温度区域比较稀疏。在温度分布云图上提取每一个温度区间的宽度，可以对图3所示温度区间进行测量获得。

第三步，对每一个温度区间内的铆接接头进行硬度检测，对各个温度区间的铆接接头材料本构模型数据库进行更新。

对某一固定材料接头，如铝合金，采用线切割获取铆接接头中心剖面(过热熔自攻丝即铆钉轴线的剖面)，如图2所示，并根据温度区间划分，在剖面上相应温度区间的宽度范围内进行的硬度检测，每个温度区间内测试多个点取平均值，作为温度区间的测试硬度。结合该固定材料的母材硬度，获取各温度区间相对硬度(相对硬度＝温度区间的测试硬度/母材硬度)。所述测试硬度和母材硬度均为维氏硬度。

对于6系铝合金铆接，结合材料硬度与强度间关系近似表达式：

σ_b≈3HV±5％HV(1)

其中，σ_b表示材料的强度，此处为屈服强度。HV表示材料的母材硬度。

将铆接接头材料的各个温度区间的相对硬度带入上述公式(1)，得到各个温度区间的相对强度，根据相对强度和母材强度即可得到各温度区间的测试强度，即受温度影响的实际强度。根据测试硬度和测试强度修正材料本构模型，并更新该铆接材料在热熔自攻丝铆接工艺状态下的各温度区间材料本构模型数据库。

第四步，对第一步中的热熔自攻丝铆接接头三维模型进行修正，并划分网格，建立修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型。

对第一步获取的铆接接头三维模型进行修正，所述修正包括去除圆角、修正不光滑曲面、忽略微小特征等，并以表达铆接接头特征为主要原则，结合实际情况，划分尺寸合适的六面体网格，建立修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型。

第五步，对修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型进行区域划分，并对各区域应用材料本构模型，得到热熔自攻丝铆接接头模型。

根据温度区间的宽度，对热熔自攻丝铆接接头原始模型进行相应的区域划分，并对各区域赋予相应的材料本构模型，从而获得更加精确的热熔自攻丝铆接接头模型。

对于铆接接头采用同种材料组合，材料本构数据库可以直接使用，避免通过实验进行本构修正。

根据上述提供的热熔自攻丝铆接接头模型，对铝合金的热熔自攻丝铆接接头模型进行仿真，结果如图4所示，三条曲线分别是试验结果曲线、不考虑温度的原始曲线和本发明热熔自攻丝铆接接头模型的仿真调整曲线，通过曲线对比可知，本发明提供的热熔自攻丝铆接接头模型的仿真结果更加接近试验的载荷-位移曲线，一致性比较好。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，通过热熔自攻丝铆接成形仿真获得热熔自攻丝铆接接头三维模型，提取成形过程中的温度分布云图；

第二步，将温度分布云图划分为多个温度区间，提取每个温度区间对应的宽度；所述温度分布云图的温度范围为293K～660K，以614K、568K、522K、477K和293K为分界点，划分为六个温度区间，分别为温度影响一区660K～614K、温度影响二区614K～568K、温度影响三区568K～522K、温度影响四区522K～477K、温度影响五区477K～293K和未影响区293K以下，在所述温度分布云图上提取每一个温度区间的宽度；所述温度分布云图为自攻丝与底层材料之间的热熔区温度分布；

第三步，对每个温度区间的铆接接头进行硬度检测，对各个温度区间的铆接接头材料本构模型数据库进行更新；所述更新包括铆接接头材料硬度和强度更新，所述强度根据铆接接头材料的强度和硬度关系式得到；

第四步，对第一步中的热熔自攻丝铆接接头三维模型进行修正，并划分网格，建立修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型；

第五步，对修正的热熔自攻丝铆接接头原始模型进行区域划分，并对各个区域应用材料本构模型，得到热熔自攻丝铆接接头模型。

2.根据权利要求1所述的热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，其特征在于，所述强度和硬度关系式为：

σ_b≈3HV±5％HV

其中，σ_b表示材料的强度，HV表示材料的硬度。

3.根据权利要求1所述的热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，其特征在于，第五步中所述区域划分是指根据各温度区间对应的宽度对铆接接头进行划分。

4.根据权利要求1所述的热熔自攻丝铆接接头建模与仿真方法，其特征在于，所述热熔自攻丝铆接接头为铝合金材料。

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