CN111222273A - 一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以量化胶粘剂对轻质薄板滚合成形影响的数值建模和质量预测方法，有利于提高轻量化门盖件的制造精度和质量，为改进和优化滚边压合工艺参数提供参考依据。首先，确定胶粘剂和轻质薄板的材料特性。然后，建立胶粘剂‑轻质薄板的几何模型，采用无网格光滑粒子法SPH来模拟胶粘剂，有限元法FEM模拟轻质薄板，建立SPH‑FEM的流固耦合模型。最后，在边界和载荷约束条件下，完成含胶粘剂的轻质薄板滚合工艺仿真和质量预测。与现有技术对比，本发明具有如下有益效果：(1)有利于促进胶粘剂的本构模型的优化。(2)耦合算法有利于提高轻质薄板的成形预测精度。(3)有利于控制胶粘剂的分布。

Description

一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法

技术领域

本发明涉及汽车薄板成型制造技术领域，尤其是涉及一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法。

背景技术

门盖件质量既决定了整车的静态感知，也对动态性能NVH产生重要影响，体现出制造工艺的先进水平。门盖件的结构优化是车身轻量化的重要组成部分。在轻量化中所用的的材料有高强度钢、碳纤维材料、铝合金材料和其他合金材料。其中，铝合金因其减重率较高、且强度高、成型性较好无需表面处理等优势，成了车身门盖件轻量化的首选材料。

门盖件内、外板的装配连接，一般采用滚边压合工艺来实现，可以实现光滑的边缘轮廓和成形精度。该工艺一般需要分多个步骤完成，其中，外板属于小半径、大变形弹塑性应变过程，容易产生质量缺陷，如缩进/涨出、波浪起皱等，最终影响后继的装配间隙和面差。由于相对于钢板，铝合金的延展性和可锻性较差，在折弯处容易产生裂纹，在新产品的试制过程中，需要对外板的成形质量进行预测和修正。由于涉及复杂的力学问题，为节约时间和实验成本，采用数值方法对铝合金薄板的成形质量预测始终是该领域关注的重点。

胶粘剂在滚边工艺中具有重要的作用。一方面固化后可以代替电焊，另一方面具有抗震、防腐和降噪的作用。胶粘剂属于高粘度流体，受到外板的快速挤压时，内部产生压黏效应，将对固体边界产生反作用力，形成压黏效应。但是，由于力学作用过程复杂，胶粘剂对轻质薄板的作用大小难以量化，不利于工艺系统制造质量的技术升级。

经过对现有文献检索发现，当前一些研究机构和公司主要针对提高制造精度和制造效率上，尚未有将胶粘剂对成形质量的影响纳入工艺系统中。如中国专利公开号CN105251840A提出了一种应用于白车身车门窗框滚边的新型滚轮机构，可实现对各种车身形状的制造。中国专利公开号CN 109454140A提出了一种具有大角度开角的铝合金门盖的滚边工艺及滚边装置，以期减少滚边次数、消除滚边裂纹，提高工作效率。中国专利公开号CN206241007U提出的新型的机器人滚边系统，可以在线监测滚边质量，并及时修复滚边质量缺陷，可以提高滚边工艺的良品率和生产效率。

随着轻质薄板在门盖件的广泛使用，胶粘剂的影响变成了一个不能忽略的问题。胶粘剂在内外板狭小间隙内流动，常规试验方法对胶粘剂的影响大小难以测量和量化。由于带胶粘剂的滚合工艺涉及自由液面运动的流-固耦合作用，而采用现有的数值算法尚存在不足，难以构建准确的数值预测模型，主要问题和难点有：

(1)拉格朗日法效率高，但是在计算大变形时容易遇到网格畸变，最终导致计算发散。

(2)欧拉法能够有效避免网格畸变问题，但该方法的边界定义不够精确，很难描述物质的自由边界运动。

(3)任意拉格朗日-欧拉方法具有两者的优点，但是该方法计算效率较低，且经常出现节点速度溢出等问题。

总之，车身门盖件轮廓结构复杂且成型精度要求较高，由于带胶的滚合工艺涉及复杂的流固耦合问题，采用传统的数值算法尚不能建立有效的预测模型。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以量化胶粘剂对轻质薄板滚合成形影响的数值建模和质量预测方法，有利于提高轻量化门盖件的制造精度和质量，为改进和优化滚边压合工艺参数提供参考依据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：分别确定设置胶粘剂和轻质薄板的材料特性；

步骤2：基于确定设置的胶粘剂和轻质薄板的材料特性，建立胶粘剂-轻质薄板的几何模型；

步骤3：采用不同方法分别对胶粘剂-轻质薄板的几何模型中的胶粘剂和轻质薄板进行模拟，并建立得到SPH-FEM的流固耦合模型；

步骤4：在边界和载荷约束条件下，进行含胶粘剂的轻质薄板滚合工艺仿真和质量预测，并得到对应结果。

进一步地，所述的步骤1中的胶粘剂的材料特性包括胶粘剂的流变模型和密度，所述胶粘剂的流变模型通过旋转粘度计来测量流变参数并进一步测定胶粘剂的剪切速率和动力粘度之间的关系曲线拟合来确定设置，所述胶粘剂的密度采用重量杯法进行测量来确定设置。

进一步地，所述的步骤1中的轻质薄板的材料特性包括轻质薄板的密度和本构模型，所述轻质薄板的本构模型通过材料拉伸机以相对于轧制方向，从0°，45°和90°三个方向测定薄板材料的应力和应变之间的关系来确定设置。

进一步地，所述的步骤2中的胶粘剂-轻质薄板的几何模型包括轻质材料的内板、胶粘剂、轻质材料的外板和滚合工艺部件，所述的滚合工艺部件包括滚轮、夹具和支撑胎膜，所述的步骤2中还包括：基于建立的胶粘剂-轻质薄板的几何模型并根据实际研究的尺寸参数，在常见建模软件中完成绘制，然后导入显示动力学仿真分析软件中。

进一步地，所述的步骤3具体包括：采用无网格光滑粒子法SPH来模拟胶粘剂的本构材料模型和密度参数，有限元法FEM模拟轻质材料的内板和外板的本构材料模型和密度参数，并结合建立得到SPH-FEM的流固耦合模型。

进一步地，所述的无网格光滑粒子法SPH中采用蛙跳格式求解Navier-stokes方程，所述的有限元法FEM中采用差分格式求解显示动力学方程。

进一步地，所述的步骤3中的SPH-FEM的流固耦合模型通过界面接触算法来实现，所述的接触算法通过设置SPH粒子为主体，FEM有限元节点为从体来实现，所述SPH粒子与所述FEM有限元节点之间通过点-面接触力作用来实现力的耦合传递。

进一步地，所述的步骤4中的边界和载荷约束条件为滚边压合工艺中工艺参数，所述的工艺参数包括滚轮的滚动速度，翻边高度、翻边半径、胶层厚度、翻边路径。

进一步地，所述的步骤4中的仿真过程根据实际的工艺步骤，通过软件分步计算仿真完成，所述的步骤4中的质量预测包括影响滚压结构装配间隙和面差指标和影响涂胶质量的指标，其中，所述影响滚压结构装配间隙和面差指标包括缩进涨出、回弹、波浪起皱、褶皱、弹塑性应变，所述影响涂胶质量的指标包括缺胶和溢胶。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

(1)有利于促进胶粘剂的本构模型的优化。通过构建流变性模型，更真实地反应胶粘剂的力学特性。在相互作用的物理场下，可以推演出更好的胶粘剂的本构模型，为实现胶粘剂和薄板最佳匹配提供理论基础。

(2)耦合算法有利于提高轻质薄板的成形预测精度。传统算法忽略胶粘剂的影响，而采用摩擦系数代替建立数值模型，导致仿真结果差距大。创新地将胶粘剂和轻质薄板耦合求解，将相互挤压作用下，更能反映薄板成形的实际工况，从而提升预测精度。本发明可进一步实现滚边速度、胶粘剂粘度和胶层厚度等多参数对滚压成型的影响。

(3)有利于控制胶粘剂的分布。在滚压工艺中，胶粘剂受到挤压后，容易产生溢胶和缺胶现象，对后继固化工艺造成影响。本发明的耦合算法可有利于优化工艺参数，进一步控制胶粘剂的分布。

附图说明

图1为本发明实施例中车门滚压结构及带胶粘剂的轻质薄板滚合工艺流程示意图；

图2为本发明实施例中平面曲边铝合金薄板滚合结构示意图；

图3为本发明实施例中胶粘剂剪切速率与动力粘度关系图；

图4为本发明实施例中铝合金薄板应力与应变关系图；

图5为本发明实施例中SPH-FEM流固耦合流程图；

图6为本发明实施例中多工艺步滚压成型横截仿真计算图；

图7为本发明实施例中预滚边和终滚边铝合金薄板成型仿真图；

图8为本发明实施例中基于SPH-FEM的仿真与实验对比优化流程图；

图中，1；翻边工艺步骤，2：涂胶工艺步骤，3：压胶工艺步骤，4：预翻边工艺步骤，5：终翻边工艺步骤，6：曲面-曲线滚压结构，7：平面-凸边滚压结构，8：平面-凹边滚压结构，9：平面-直线滚压结构，10：上胶层，11：下胶层，12：铝合金外板，13：铝合金内板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明可以通过以下技术方案来实现：首先，确定胶粘剂和轻质薄板的材料特性。然后，建立胶粘剂-轻质薄板的几何模型，采用无网格光滑粒子法SPH来模拟胶粘剂，有限元法FEM模拟轻质薄板，建立SPH-FEM的流固耦合模型。最后，在边界和载荷约束条件下，完成含胶粘剂的轻质薄板滚合工艺仿真和质量预测。

以上技术方案中的胶粘剂是车身滚边压合工艺中常见的折边胶，其材料特性包括流变模型和密度，胶粘剂的流变模型，采用实验的方法来确定参数。胶粘剂的密度，采用重量杯法进行测量。

优选地，采用旋转粘度计来测量流变参数，测定胶粘剂的剪切速率和动力粘度之间的关系曲线。胶粘剂的流变模型，通过测定的关系曲线拟合来确定，如牛顿流体、假塑性流体、膨胀性流体和Bingham流体等。

以上技术方案中的轻质薄板的材料特性，包括密度和本构模型。轻质薄板的材料密度由参照国家相关标准测定，轻质薄板的本构模型，由实验方法来确定。优选地采用材料拉伸机，相对于轧制方向，从0°，45°和90°三个方向，来测定薄板材料的应力和应变之间的关系，通过常规的材料力学知识，来确定材料属于各向同性，或者各向异性本构模型。

以上技术方案中的胶粘剂-轻质薄板的几何模型，为门盖件中常见的结构模型，如平面-直边、平面-曲边、曲面-直边和曲面-曲边等不同的结构。几何模型包括轻质材料的内板、胶粘剂、轻质材料的外板和滚合工艺部件，滚合工艺部件包括滚轮、夹具和支撑胎膜。据实际研究的尺寸参数，在常见建模软件中完成绘制，然后导入显示动力学仿真分析软件中。

以上技术方案中的光滑粒子法SPH是一种无网格粒子法。胶粘剂的本构材料模型和密度参数，赋予SPH法表示。有限元法FEM是一种拉格朗日算法。轻质材料的内板和外板的本构材料模型和密度参数，赋予FEM法表示。

以上技术方案中的耦合模型，是通过界面接触算法来实现。接触算法，是通过设置SPH粒子为主体，FEM有限元节点为从体来实现。粒子和有限元节点之间通过点-面接触力作用来实现力的耦合传递。SPH方法采用蛙跳格式求解Navier-stokes方程，FEM采用差分格式求解显示动力学方程。将接触力分别以外力的形式，加入到SPH动量方程和有限元动力学方程。

以上技术方案中的边界和载荷条件，是指滚边压合工艺中工艺参数。工艺参数包括滚轮的滚动速度，翻边高度、翻边半径、胶层厚度、翻边路径等参数。

仿真过程根据实际的工艺步骤，分步计算仿真完成。成形质量是指一方面影响滚压结构装配间隙和面差指标，主要包括：缩进涨出、回弹、波浪起皱、褶皱、弹塑性应变等；另一方面影响涂胶质量的指标，如缺胶和溢胶等。

仿真结果可通过试验进一步对比和验证。实验验证包括：一个是带胶粘剂的仿真样本与实验样本对比；另一个是不带胶粘的样本与带胶粘剂的样本之间的对比。

实际具体实施例

如图1中所示，车门复杂结构形式复杂，多种结构形式，如曲面-曲线滚压结构6、平面-凸边滚压结构7、平面-凹边滚压结构8、平面-直线滚压结构9等。

按照滚压工艺，主要有5个步骤，依次前后顺序为：翻边、涂胶、压胶、预翻边、终翻边。

以如图2所示的平面曲边铝合金薄板带胶粘剂滚合结构为例：

(1)胶粘剂材料特性

采用旋转粘度计测量胶粘剂的动力粘度与剪切速度的关系，如图3所示，然后根据曲线确定流变模型为幂律型非牛顿流体，本构模型：

τ＝K·γ^n

(2)材料拉伸实验

采用万能材料拉伸机，沿着0°、45°和90°三个不同的方向，测定材料的应力和应变之间的关系，如图4所示，对试验得到的工程应力应变曲线进一步处理，得到真实的应力应变曲线，并对曲线进行拟合，与Swift硬化模型相符合，得到：

σ＝k(ε₀+ε_p)ⁿ

(3)SPH-FEM数学模型与耦合算法

SPH法是基于以密度、速度、能量等维变量的偏微分方程组，将描述场的函数用核函数逼近，以近似表达为任意函数和核函数乘积的积分。给定粒子i处的f(x_i)函数及其导数的离散近似形式为：

其中，W_ij为光滑核函数，一般采用三次B样条曲线，h为光滑长度。

忽略温度和热量的影响，不考虑能量守恒方程。α、β表示坐标方向，则通过张量理论指标法表示的质量守恒方程为：

整理以上式子得到SPH形式的质量守恒方程：

张量理论指标法表示的动量守恒方程为：

其中，σ为总应力张量，由各向同性压力P和粘性应力τ两部分组成：

σ^αβ＝-pδ^αβ+τ^αβ

在牛顿流体中，粘性剪切应力与剪应变成正比，μ为动力粘性系数：

进一步整理以上式子得到粘性流体的SPH方程为：

上式中等号右边第一项为压力近似项，第二项为粘性力项，其中，m_j和ρ_j分别表示粒子的质量和密度(j＝1,2,…,N)，N表示点x_j处支持域内粒子的数目。

如图5为SPH-FEM耦合算法实质是一种接触算法。当SPH粒子与有限单元节点间距达到接触厚度(人工变量)时，将会在接触界面之间穿透，此时，SPH粒子和有限元节点之间将会有接触力作用。任何位于有限元节点支持域内的SPH粒子都会对该节点产生接触力，反之任何位于SPH粒子支持域的有限元节点也会对该粒子产生接触力。

SPH方法采用蛙跳格式求解Navier-stokes方程，FEM采用差分格式求解显示动力学方程。将接触力分别以外力的形式，加入到SPH动量方程和有限元动力学方程。

(4)建模与计算

计入三维模型的尺寸和几何参数，如图2所示，在CAD软件中建立的胶粘剂和薄板的实体模型，将文件保存为.IGS或者.x_t相关格式文件。然后导入CAE商业软件Ls-dyna或者Abaqus中运行。

将轻质薄板建立为FEM模型，将胶粘剂建立为SPH模型。并将图3的流变材料模型参数分别赋予SPH算法，将图4的弹塑性材料模型赋予FEM算法。根据图1所示的工艺步骤，分翻边、挤压、预滚边，终滚边等多个分步来完成仿真。

(5)结构与分析

横截面的变形图如图6所示。预滚边和终滚边的外板尺寸如图7所示。

可得到带胶粘剂压粘效应下的薄板成形尺寸。相关数据，可以通过试验进一步验证。

(6)质量预测与优化

如图8所示，以缩进/涨出、弹塑性、波浪系数、回弹、褶皱、缺胶和溢胶为质量目标，以(1)-(5)所述的方法和模型，进行SPH-FEM仿真，并与实验做对比。以仿真与实验的误差△<10％为目标，将计算结果反馈至原有的胶粘剂与金属薄板本构模型，进一步修正，使输出结果达到预期的标准。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：分别确定设置胶粘剂和轻质薄板的材料特性；

步骤2：基于确定设置的胶粘剂和轻质薄板的材料特性，建立胶粘剂-轻质薄板的几何模型；

步骤3：采用不同方法分别对胶粘剂-轻质薄板的几何模型中的胶粘剂和轻质薄板进行模拟，并建立得到SPH-FEM的流固耦合模型；

步骤4：在边界和载荷约束条件下，进行含胶粘剂的轻质薄板滚合工艺仿真和质量预测，并得到对应结果。

2.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤1中的胶粘剂的材料特性包括胶粘剂的流变模型和密度，所述胶粘剂的流变模型通过旋转粘度计来测量流变参数并进一步测定胶粘剂的剪切速率和动力粘度之间的关系曲线拟合来确定设置，所述胶粘剂的密度采用重量杯法进行测量来确定设置。

3.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤1中的轻质薄板的材料特性包括轻质薄板的密度和本构模型，所述轻质薄板的本构模型通过材料拉伸机以相对于轧制方向，从0°，45°和90°三个方向测定薄板材料的应力和应变之间的关系来确定设置。

4.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤2中的胶粘剂-轻质薄板的几何模型包括轻质材料的内板、胶粘剂、轻质材料的外板和滚合工艺部件，所述的滚合工艺部件包括滚轮、夹具和支撑胎膜，所述的步骤2中还包括：基于建立的胶粘剂-轻质薄板的几何模型并根据实际研究的尺寸参数，在常见建模软件中完成绘制，然后导入显示动力学仿真分析软件中。

5.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：采用无网格光滑粒子法SPH来模拟胶粘剂的本构材料模型和密度参数，有限元法FEM模拟轻质材料的内板和外板的本构材料模型和密度参数，并结合建立得到SPH-FEM的流固耦合模型。

6.根据权利要求5所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的无网格光滑粒子法SPH中采用蛙跳格式求解Navier-stokes方程，所述的有限元法FEM中采用差分格式求解显示动力学方程。

7.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤3中的SPH-FEM的流固耦合模型通过界面接触算法来实现，所述的接触算法通过设置SPH粒子为主体，FEM有限元节点为从体来实现，所述SPH粒子与所述FEM有限元节点之间通过点-面接触力作用来实现力的耦合传递。

8.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤4中的边界和载荷约束条件为滚边压合工艺中工艺参数，所述的工艺参数包括滚轮的滚动速度，翻边高度、翻边半径、胶层厚度、翻边路径。

9.根据权利要求1所述的一种轻质薄板含胶滚合成型耦合建模及其质量预测方法，其特征在于，所述的步骤4中的仿真过程根据实际的工艺步骤，通过软件分步计算仿真完成，所述的步骤4中的质量预测包括影响滚压结构装配间隙和面差指标和影响涂胶质量的指标，其中，所述影响滚压结构装配间隙和面差指标包括缩进涨出、回弹、波浪起皱、褶皱、弹塑性应变，所述影响涂胶质量的指标包括缺胶和溢胶。

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