CN111651881B - 一种锁铆仿真失效参数的简化方法 - Google Patents

一种锁铆仿真失效参数的简化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锁铆技术领域，公开一种锁铆仿真失效参数的简化方法，其包括以下步骤：确定连接板和铆钉的安装方式以及连接板和铆钉的信息参数；根据安装方式和信息参数采用Ls‑dyna软件建立锁铆失效精细仿真模型，并在铆钉的易失效区域和连接板的易失效区域采用局部网格加密的方法进行网格加密；根据锁铆失效精细仿真模型并通过调整第一参数得到位移和力的精细仿真曲线；根据锁铆失效精细仿真模型得到的第一参数建立锁铆失效简化模型，并通过调整第二参数得到位移和力的简化仿真曲线。本发明公开的锁铆仿真失效参数的简化方法在保证计算精度的前提下提高了整车仿真的计算效率，采用局部网格加密的方法进行网格加密，确保了连接板和铆钉失效特性的准确性。

Description

一种锁铆仿真失效参数的简化方法
技术领域
本发明涉及锁铆技术领域，尤其涉及一种锁铆仿真失效参数的简化方法。
背景技术
汽车轻量化的目的是在保证汽车强度、刚性和安全性不降低的情况下，通过优化结构，使用轻质材料和采用新型铆接工艺，减轻汽车的整车装备质量，从而提高汽车的动力性能，减少燃料消耗，降低污染排放，实现良好的经济效益和社会环保效益。铝合金在轻量化背景下，被越来越广泛的应用，铝合金连接中锁铆技术应用尤为广泛。锁铆为一种固态连接技术，铆钉在外力的作用下穿透第一层材料和中间层材料，并在底层材料中进行流动延展，形成相互镶嵌的永久塑性形变，这样的铆钉连接过程称为锁铆连接。锁铆点具有较高的抗拉强度和抗剪强度，并具有如下优点：强度高；适于外观质量检查；无需钻孔，一次成形；防水性、气密性好；可以连接金属和非金属材料，以及进行多层材料的组合；可以连接不同厚度、不同强度的材料；机械连接，无热效应。现有的锁铆的有限元仿真方法主要有共节点法、刚性单元连接法，梁单元连接法、实体单元建模法等，这些仿真方法都无法准确模拟锁铆在碰撞安全中的失效过程，导致锁铆法仿真与实际结果偏差较大。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种锁铆仿真失效参数的简化方法，解决了现有技术存在的仿真结果与实际结果偏差较大的问题。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锁铆仿真失效参数的简化方法，包括以下步骤：确定连接板和铆钉的安装方式以及所述连接板和所述铆钉的信息参数；根据所述安装方式和所述信息参数采用Ls-dyna软件建立锁铆失效精细仿真模型，并在所述铆钉的易失效区域和所述连接板的易失效区域采用局部网格加密的方法进行网格加密，所述易失效区域为所述连接板和所述铆钉连接失效时所述铆钉和所述连接板的易损坏区域；根据所述锁铆失效精细仿真模型并通过调整第一参数得到位移和力的精细仿真曲线，将所述精细仿真曲线与实际试验时在所述安装方式下得到的位移和力的试验曲线进行比对，两者的精度大于第一预设值则继续比对，否则调整所述第一参数；根据所述锁铆失效精细仿真模型得到的所述第一参数建立锁铆失效简化模型，并通过调整第二参数得到位移和力的简化仿真曲线，将所述简化仿真曲线与所述精细仿真曲线进行比对，两者的精度大于第二预设值则仿真结束，否则调整所述第二参数。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述信息参数包括所述铆钉的长度、所述铆钉的材料、所述连接板的材料及厚度。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述安装方式包括T型连接、搭接连接、H型连接或者十字型连接。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，采用所述锁铆失效简化模型进行测试时，首先分别对拉拔工况和剪切工况进行标定，所述拉拔工况和所述剪切工况均满足第一标定条件后对45°拉伸工况进行标定，待所述45°拉伸工况满足第二标定条件后采用剥离工况进行标定，所述剥离工况满足第三标定条件则仿真结束。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述简化仿真曲线包括所述拉拔工况下的第一简化仿真曲线、所述剪切工况下的第二简化仿真曲线、所述45°拉伸工况下的第三简化仿真曲线及所述剥离工况下的第四简化仿真曲线，所述精细仿真曲线包括所述拉拔工况下的第一精细仿真曲线、所述剪切工况下的第二精细仿真曲线、所述45°拉伸工况下的第三精细仿真曲线及所述剥离工况下的第四精细仿真曲线，所述第一简化仿真曲线和所述第二简化仿真曲线分别与所述第一精细仿真曲线和所述第二精细仿真曲线的精度均大于所述第二预设值，则判定满足所述第一标定条件，将所述第三简化仿真曲线与所述第三精细仿真曲线进行对比且两者的精度均大于所述第二预设值，则判定满足所述第二标定条件，将所述第四简化仿真曲线与所述第四精细仿真曲线进行对比且两者的精度均大于所述第二预设值，则判定满足所述第三标定条件。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述拉拔工况为所述十字型连接下的工况，所述剪切工况为所述搭接连接下的工况，所述45°拉伸工况为所述H型连接下的工况，所述剥离工况为所述T型连接下的工况。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，分别将所述第一精细仿真曲线与所述十字型连接在所述拉拔工况下的第一试验曲线、所述第二精细仿真曲线与所述搭接连接在所述剪切工况下的第二试验曲线、所述第三精细仿真曲线与所述H型连接在所述45°拉伸工况下的第三试验曲线、所述第四精细仿真曲线与所述T型连接在所述剥离工况下的第四试验曲线进行对比且精度大于所述第一预设值，则继续建立所述锁铆失效简化模型。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述第一预设值和所述第二预设值均为85％。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述第一参数为法向位移δn、切向位移δτ、法向最大位移
Figure BDA0002518595910000031
切向最大位移
Figure BDA0002518595910000032
峰值负荷时的法向损伤值ξn以及峰值负荷时的切向损伤值ξτ。
作为一种锁铆仿真失效参数的简化方法的优选方案，所述第二参数为的α1、α2及α3。
本发明的有益效果为：本发明公开的锁铆仿真失效参数的简化方法在保证计算精度的前提下提高了整车仿真的计算效率，其中在铆钉的易失效区域和连接板的易失效区域采用局部网格加密的方法进行网格加密，确保了连接板和铆钉失效特性的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施例提供的锁铆仿真失效参数的简化方法的流程图；
图2是本发明具体实施例提供的铆接接头划分网格后的示意图；
图3是本发明具体实施例提供的锁铆失效简化模型的流程图；
图4是本发明具体实施例提供的H型连接的连接板和铆钉的45°拉伸工况示意图；
图5是本发明具体实施例提供的拉拔工况下ξn与
Figure BDA0002518595910000041
的曲线图；
图6是本发明具体实施例提供的剪切工况下ξτ与
Figure BDA0002518595910000042
的曲线图。
图中：
1、连接板；11、第一连接板、12、第二连接板；2、铆钉；31、第一夹具；32、第二夹具。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供一种锁铆仿真失效参数的简化方法，如图1和图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤一、确定连接板1和铆钉2的安装方式以及连接板1和铆钉2的信息参数；
步骤二、根据安装方式和信息参数采用Ls-dyna软件建立锁铆失效精细仿真模型，并在铆钉2的易失效区域和连接板1的易失效区域采用局部网格加密的方法进行网格加密，易失效区域为连接板和铆钉连接失效时铆钉和连接板的易损坏区域；
步骤三、根据锁铆失效精细仿真模型并通过调整第一参数得到位移和力的精细仿真曲线，将精细仿真曲线与实际试验时在安装方式下得到的位移和力的试验曲线进行比对，两者的精度大于第一预设值则继续比对，否则调整第一参数；
步骤四、根据锁铆失效精细仿真模型得到的第一参数建立锁铆失效简化模型，并通过调整第二参数得到位移和力的简化仿真曲线，将简化仿真曲线与精细仿真曲线进行比对，两者的精度大于第二预设值则仿真结束，否则调整第二参数。
具体地，铆钉2的易失效区域和连接板1的易失效区域的网格的平均长度为0.25mm，其余区域的网格的平均长度为1mm，这种设置方式能够增加仿真精度，从而保证锁铆失效精细仿真模型的仿真的准确性。其中，在步骤四的锁铆失效简化模型中，铆钉2与连接板1的网格的平均长度为3mm，以对锁铆失效精细仿真模型进行等效简化。
需要说明的是，本实施例的第一预设值和第二预设值均为85％，即在步骤三中，只要精细仿真曲线达到试验曲线的85％以上即可实施步骤四，在步骤四中，只要简化仿真曲线达到精细仿真曲线的85％以上即可认为锁铆失效简化模型满足要求。
本实施例提供的锁铆仿真失效参数的简化方法在保证计算精度的前提下提高了整车仿真的计算效率，可实现整车的铆钉2与连接板1的仿真精度大于85％的效果，其中在铆钉2的易失效区域和连接板1的易失效区域采用局部网格加密的方法进行网格加密，确保了连接板1和铆钉2失效特性的准确性。
具体地，连接板1包括第一连接板11和第二连接板12，第一连接板11和第二连接板12通过铆钉2连接，在步骤一中，信息参数包括铆钉2的长度、铆钉2的材料、第一连接板11的材料及厚度、第二连接板12的材料及厚度等。本实施例的铆钉2、第一连接板11及第二连接板12的连接处定义为铆接接头，铆接接头采用局部网格加密的方法形成的网格如图2所示。
本实施例的铆钉2与连接板1的安装方式包括T型连接、搭接连接、H型连接或者十字型连接。具体地，T型连接为两个L型连接板1通过铆钉2连接而形成的T型的连接方式，搭接连接为一个平面状的连接板1的一端放置在另一个平面状的连接板1的一端并通过铆钉2连接而形成的连接方式，H型连接为两个U型连接板1通过铆钉2连接而形成的H型的连接方式，十字型连接为一个平面状的连接板1的中部垂直放置在另一个平面状的连接板1的中部并通过铆钉2连接而形成的连接方式。采用锁铆失效简化模型进行测试时，首先分别对拉拔工况和剪切工况进行标定，拉拔工况和剪切工况均满足第一标定条件后对45°拉伸工况进行标定，待45°拉伸工况满足第二标定条件后采用剥离工况进行标定，剥离工况满足第三标定条件则仿真结束。
进一步地，如图3所示，拉拔工况下铆钉2与连接板1的连接方式为十字型连接，剪切工况下铆钉2与连接板1的连接方式为搭接连接，45°拉伸工况下铆钉2与连接板1的连接方式为H型连接，剥离工况下铆钉2与连接板1的连接方式为T型连接。简化仿真曲线包括拉拔工况下的第一简化仿真曲线、剪切工况下的第二简化仿真曲线、45°拉伸工况下的第三简化仿真曲线及剥离工况下的第四简化仿真曲线，精细仿真曲线包括拉拔工况下的第一精细仿真曲线、剪切工况下的第二精细仿真曲线、45°拉伸工况下的第三精细仿真曲线及剥离工况下的第四精细仿真曲线，第一简化仿真曲线和第二简化仿真曲线分别与第一精细仿真曲线和第二精细仿真曲线的精度均大于第二预设值，则判定满足第一标定条件，将第三简化仿真曲线与第三精细仿真曲线进行对比且两者的精度均大于第二预设值，则判定满足第二标定条件，将第四简化仿真曲线与第四精细仿真曲线进行对比且两者的精度均大于第二预设值，则判定满足第三标定条件。
在步骤三中，分别将第一精细仿真曲线与十字型连接在拉拔工况下的第一试验曲线、第二精细仿真曲线与搭接连接在剪切工况下的第二试验曲线、第三精细仿真曲线与H型连接在45°拉伸工况下的第三试验曲线、第四精细仿真曲线与T型连接在剥离工况下的第四试验曲线进行对比且精度大于第一预设值，则继续建立锁铆失效简化模型。
具体地，如图4所示，H型连接时，第一夹具31固定在连接板1的一侧，第二夹具32固定在连接板1的另一侧，连接板1与竖直方向的夹角为45°，加载拉伸方向的力f1和f2时，分别沿竖直方向拉伸由铆钉2固定的连接板1，即此时为45°拉伸工况下对H型连接的连接板1和铆钉2的力的加载。
本实施例的第一参数包括连接板1的法向位移δn、切向位移δτ、法向最大位移
Figure BDA0002518595910000081
及切向最大位移
Figure BDA0002518595910000082
峰值负荷时的法向损伤值ξn及峰值负荷时的切向损伤值ξτ。第二参数包括α1、α2及α3。
本实施例的第一参数为MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模块的ADD_EROSION中的法向位移δn、切向位移δτ、法向最大位移
Figure BDA0002518595910000083
切向最大位移
Figure BDA0002518595910000084
峰值负荷时的损伤值ξn以及峰值负荷时的切向中间参数ξτ。第二参数为CONSTRAINED_SPR2中的α1、α2及α3，其中，α1、α2及α3的取值范围可根据相关手册进行取值。
CONSTRAINED_SPR2模型是A.G.Hanssen等人通过观察铝合金钣金件的有铆钉2铆接接头在不同工况下的力学特征和失效形式并基于大量实验开发的等效模型，这种等效模型自带材料本构和失效准则，此模型为一种类似基于塑性变形的失效准则，建立从铆接接头变形起始到接头失效全过程的力和位移的关系，当铆接接头失效时，力也变为零。
Figure BDA0002518595910000091
Figure BDA0002518595910000092
其中，fn和fτ为仿真过程中的法向力和切向力，fn max和fτ max为仿真过程中的最大法向力和最大切向力，fn、fτ、fn max及fτ max具体可通过锁铆失效精细仿真模型或者实验得到，nmax为接头在变形过程中的损伤值，在拉拔工况下，
Figure BDA0002518595910000093
在剪切工况下，
Figure BDA0002518595910000094
具体地，
Figure BDA0002518595910000095
为关于拉拔工况下nmax的无量纲函数，只需求出
Figure BDA0002518595910000096
即可求出拉拔工况下铆接接头从变形开始待失效全过程中力与位移的变化情况，同样的，
Figure BDA0002518595910000097
为关于剪切工况下nmax的无量纲函数，只需求出
Figure BDA0002518595910000098
即可求出剪切工况下铆接接头从变形开始待失效全过程中力与位移的变化情况。
根据A.G.Hanssen等的理论，
Figure BDA0002518595910000099
达到最大值之前可以用一个八次式表示，达到最大值之后到失效这一段简化为一次曲线，直到损伤值为1，具体地：
Figure BDA00025185959100000910
Figure BDA0002518595910000101
其中，ξn为拉拔工况下峰值力时的损伤值，即
Figure BDA0002518595910000102
ξτ为剪切工况下峰值力时的损伤值，即
Figure BDA0002518595910000103
其中在纯拉拔工况下，ξn与
Figure BDA0002518595910000104
的曲线图如图5所示，在纯剪切工况下，ξτ与
Figure BDA0002518595910000105
的曲线图如图6所示，图5和图6中斜向上的箭头代表加载力的方向，斜向下的箭头代表卸载力的方向。
在其他工况下，其他情况下的加载的损伤值计算如下：
Figure BDA0002518595910000106
Figure BDA0002518595910000107
Figure BDA0002518595910000108
Figure BDA0002518595910000109
由此可知，CONSTRAINED_SPR2模型不但可以计算拉拔工况和剪切工况下的力学行为，还能够计算45°拉伸工况和剥离工况在其他角度的拉伸的接头的力学行为。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域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。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定连接板(1)和铆钉(2)的安装方式以及所述连接板(1)和所述铆钉(2)的信息参数；
根据所述安装方式和所述信息参数采用Ls-dyna软件建立锁铆失效精细仿真模型，并在所述铆钉(2)的易失效区域和所述连接板(1)的易失效区域采用局部网格加密的方法进行网格加密，所述易失效区域为所述连接板(1)和所述铆钉(2)连接失效时所述铆钉(2)和所述连接板(1)的易损坏区域；
根据所述锁铆失效精细仿真模型并通过调整第一参数得到位移和力的精细仿真曲线，将所述精细仿真曲线与实际试验时在所述安装方式下得到的位移和力的试验曲线进行比对，两者的精度大于第一预设值则继续对比，否则调整所述第一参数；
根据所述锁铆失效精细仿真模型得到的所述第一参数建立锁铆失效简化模型，并通过调整第二参数得到位移和力的简化仿真曲线，将所述简化仿真曲线与所述精细仿真曲线进行比对，两者的精度大于第二预设值则仿真结束，否则调整所述第二参数；
所述第一参数为法向位移δn、切向位移δτ、法向最大位移
Figure FDA0003550360130000011
切向最大位移
Figure FDA0003550360130000012
峰值负荷时的法向损伤值ξn以及峰值负荷时的切向损伤值ξτ；
所述第二参数为CONSTRAINED_SPR2模型中的α1、α2及α3。
2.根据权利要求1所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，所述信息参数包括所述铆钉(2)的长度、所述铆钉(2)的材料、所述连接板(1)的材料及厚度。
3.根据权利要求1所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，所述安装方式包括T型连接、搭接连接、H型连接或者十字型连接。
4.根据权利要求3所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，采用所述锁铆失效简化模型进行测试时，首先分别对拉拔工况和剪切工况进行标定，所述拉拔工况和所述剪切工况均满足第一标定条件后对45°拉伸工况进行标定，待所述45°拉伸工况满足第二标定条件后采用剥离工况进行标定，所述剥离工况满足第三标定条件则仿真结束。
5.根据权利要求4所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，所述简化仿真曲线包括所述拉拔工况下的第一简化仿真曲线、所述剪切工况下的第二简化仿真曲线、所述45°拉伸工况下的第三简化仿真曲线及所述剥离工况下的第四简化仿真曲线，所述精细仿真曲线包括所述拉拔工况下的第一精细仿真曲线、所述剪切工况下的第二精细仿真曲线、所述45°拉伸工况下的第三精细仿真曲线及所述剥离工况下的第四精细仿真曲线，所述第一简化仿真曲线和所述第二简化仿真曲线分别与所述第一精细仿真曲线和所述第二精细仿真曲线的精度均大于所述第二预设值，则判定满足所述第一标定条件，将所述第三简化仿真曲线与所述第三精细仿真曲线进行对比且两者的精度均大于所述第二预设值，则判定满足所述第二标定条件，将所述第四简化仿真曲线与所述第四精细仿真曲线进行对比且两者的精度均大于所述第二预设值，则判定满足所述第三标定条件。
6.根据权利要求5所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，所述拉拔工况为所述十字型连接下的工况，所述剪切工况为所述搭接连接下的工况，所述45°拉伸工况为所述H型连接下的工况，所述剥离工况为所述T型连接下的工况。
7.根据权利要求5所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，分别将所述第一精细仿真曲线与所述十字型连接在所述拉拔工况下的第一试验曲线、所述第二精细仿真曲线与所述搭接连接在所述剪切工况下的第二试验曲线、所述第三精细仿真曲线与所述H型连接在所述45°拉伸工况下的第三试验曲线、所述第四精细仿真曲线与所述T型连接在所述剥离工况下的第四试验曲线进行对比且精度大于所述第一预设值，则继续建立所述锁铆失效简化模型。
8.根据权利要求1至7任一项所述的锁铆仿真失效参数的简化方法，其特征在于，所述第一预设值和所述第二预设值均为85％。
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