CN112765734A - 一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法 - Google Patents

一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，为异质车身门盖件的工艺参数最佳匹配提供了理论依据，且为新型折边胶的研制提供参考。首先，基于多阶段本构模型，测定折边胶的物理特性参数，同时测定异质内、外板材料的物理特性参数；其次，建立不同结构形式的几何模型，并将不同的物理特性参数赋予数值模型；最后在循环温度载荷和约束条件下，获得热‑化学‑结构多物理场耦合下的结构变形和胶层内应力变化数据。本发明具有如下有益效果：(1)有利于真实地反映滚合结构变形和胶层应力状态。(2)计算效率高，特别是针对复杂几何的异质滚合结构。(3)有利于观察后继循环应力载荷及长期服役工况下滚合结构刚度和胶层应力的变化。

Description

一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法
技术领域
本发明涉及一种变形及内应力预测方法，尤其是涉及一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法。
背景技术
车身轻量化始终是国际汽车行业可持续发展的必经之路，也是我国智能制造战略规划的重中之重。除车身构型拓扑、多学科形状优化等结构轻量化外，材料轻量化是实现整车节能降耗最重要的途径。汽车轻量化不是简单地减轻重量，而是指汽车在安全性、舒适性等性能不降低，且轻量化成本不显著提高的前提下，有目标地减轻汽车的自重。综合考虑车身在性能、安全和成本之间的平衡，铝钢混合车身是最有效的下一代车身轻量化途径，包括车身门盖件，如车门、发动机盖、行李舱盖等。
作为整车相对独立的总成部件，车身门盖系统的内外板材成形、连接及合成，直接影响车身整体外观与质量，反映了车身制造工艺的先进性水平。边缘曲线光滑连续、不得有焊点压痕等严格苛刻的外观要求，使得门盖系统的内外板装配必须采用特殊的滚合工艺—涂胶-滚压-烘烤复合工艺。总体上，同质材料的连接工艺研究和应用已经相对成熟。但是，当采用异质材料时，由于板材、折边胶的刚度和热膨胀系数存在显著的差异，在高温烘烤固化环境下，结构将产生较大的残余应力，并产生翘曲变形，这将严重影响车身门盖件的装配精度和外观感知质量。因此，为抑制和消除钢/铝结构的性能失配，掌握结构的变形机理是非常有必要的。
然而，针对异质材料的三明治式滚合结构，由于折边胶尚未有统一有效的本构模型，尚且难以准确建立多耦合场的预测模型，导致无法实现结构和工艺参数的合理匹配。这严重限制了新一代铝/钢混合门盖件的设计与应用。
经过对现有文献检索发现，当前一些研究机构和公司在提高制造精度方面，尚未有描述胶粘剂固化过程的有效本构模型，仅有类似的简化力学模型。一类是未考虑固化过程，如中国专利公开号CN 109766624A采用了固化成型后的粘弹性模型预测了胶接结构中胶粘剂在高低温冷热循环环境下的内应力变化。另一类：简化了固化模型，如中国专利公开号CN 110197008 A针对树脂复合材料固化，采用了简化的线弹性模型。
在高温固化中，高分子结构胶层经历从粘流态到高弹态，再到玻璃态的转变。另外，车身薄板件非平衡约束以及几何结构不对称，使得门盖系统经历复杂的变形过程，导致难以构建准确的数值预测模型。主要问题和难点有：
(1)在高温固化环境下，钢/铝/胶三种异质材料的固化连接过程，涉及热-化学-结构多物理场耦合运算，需要建立高效率、高精度的有效数值模型；
(2)传统的粘弹性模型，在高温保持阶段忽略固化前的胶粘剂的变化，虽然减小了运算时间，但降低了计算精度；
(3)全积分/微分形式的含固化度的本构模型，虽然考虑了固化的影响，但在求解铝钢异质结构场变形时，计算效率低，容易导致结果不收敛。
总之，车身门盖件精度要求高，由于折边胶的物理特性变化复杂，导致在高温涂装工艺下的变形机理和规律尚不清楚，传统方法难以建立准确的预测模型。
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胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，有利于提高轻量化门盖件的制造精度和质量，为改进折边胶的物理特性参数及优化异质材料结构匹配参数提供参考依据。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车身异质门盖件胶粘结构固化变形及残余内应力预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于多阶段本构模型，测定折边胶的物理特性参数；
步骤2：测定异质内、外板材料的物理特性参数；
步骤3：建立不同结构形式的几何模型，并将不同的物理特性参数赋予数值模型；
步骤4：在循环温度载荷和约束条件下，获得热-化学-结构多物理场耦合下的结构变形和胶层内应力变化数据。
进一步地，所述的步骤1中的多阶段本构模型，是以凝胶点、温度下降点和玻璃化转变温度点区分的四阶段模型，包括阶段I、阶段II、阶段III和阶段IV。所述的在阶段I中，即凝胶点之前的阶段，折边胶的物理特性忽略不计，由于其处于粘流态，可以流动且很快松弛，能够补偿薄板受热膨胀时产生的变动差。
进一步地，所述的步骤1中的折边胶的凝胶点是采用流变法确定。由旋转流变仪测定储能模量和损耗模量，当两者相等时判定为凝胶点。所述的温度下降点是由温度循环工艺确定，为保温阶段进入下降阶段处的拐点。所述的玻璃化转变温度点由动态热机械分析法确定，当损耗角正切值达到最大时，对应的温度为玻璃化转变温度。
进一步地，所述的步骤1中折边胶的物理特性参数，包括固化动力学模型、化学缩变、体积模量、热膨胀系数和剪切模量。所述的固化动力学模型参数通过差式量热扫描法获得，通过Málek判据，来确定n级固化动力学或自催化固化模型。
进一步地，所述的化学缩变、体积模量和热膨胀系数在所述的阶段II、III和IV中采用相同的数学模型。所述的化学缩变采用压力-体积-温度实验法(PVT)来确定，采用线性简化模型来表示固化度相关的化学缩变过程。所述的体积模量与时间和固化度无关，只与温度有关。所述的体积模量通过修正的Tait方程对压力求偏导获得。所述的修正的Tait方程参数由PVT实验确定，并通过高压膨胀计来测定PVT实验参数。所述的热膨胀系数与时间和固化度无关，只与温度有关。所述的热膨胀系数通过所述的修正的Tait方程对温度求偏导获得。
进一步地，所述的剪切模量采用扭转拉伸机在不同温度下获得。所述的剪切模量在所述的阶段II、III和IV中的模型是不同的。在所述的阶段II中，剪切模量与时间和温度无关，采用与固化度相关的数学模型。在所述的阶段III中，剪切模量与时间和温度相关，采用线性粘弹性模型和WLF时温等效方程。在所述的阶段IV中，剪切模量与时间和温度相关，采用线性粘弹性模型和Arrhenius时温等效方程。
进一步地，所述的步骤2中的内、外板材料的物理特性参数，主要包括密度、弹性模量、泊松比、硬化指数和热膨胀系数。
进一步地，所述的步骤3中的几何模型，是在建模软件中，创建以外板、胶层和内板异质材料组成的滚合结构，包括曲边-平板、曲边-曲边等不同形式。将几何模型导入有限元分析软件中，将前述的外板、胶层、内板的材料属性，赋予有限元模型。
进一步地，所述的步骤4中求解具体过程：将循环温度载荷和约束条件加载到所述的有限元模型后，求解热、化学和结构变形方程，以获得最终的结构变形和胶层内应力变化数据。
进一步地，将所述的步骤4结构变形值和胶层内应力值作为目标值，通过改变结构的几何尺寸和物理参数，如板材厚度、胶层厚度、胶层的物理参数等，通过多次有限元仿真，实现结构和物理参数合理匹配，以降低变形值和应力值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法中的模型精度高有利于真实地反映滚合结构变形和胶层应力状态。模型考虑了胶层的固化过程和应力松弛，充分反应了胶层从加热、保温到降温过程的力学变化过程，相对于线性和粘弹性模型，计算精度高。
(2)本发明方法中的模型计算效率高，特别是针对复杂几何的异质滚合结构，由于本模型采用了分阶段计算法，忽略了固化前的力学作用过程，在计算涉及传热、相变、结构变化的热-化学-结构耦合场的计算中，对于复杂几何模型的计算效率高。
(3)本发明方法中的模型有利于观察后继循环应力载荷及长期服役工况下滚合结构刚度和胶层应力的变化，在单个温度循环后，胶层的残余应力和板材的变形保留在结构中，通过进一步施加多个高低温循环载荷或时温等效后的高温载荷，有利于观察预应力和应变下的结构刚度变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中耦合场计算流程示意图；
图2为本发明实施例中三明治式滚合结构示意图；
图3为本发明实施例中本构模型示意图；
图4为本发明实施例中固化示意图；
图5为本发明实施例中体积模量和热膨胀系数变化示意图；
图6为本发明实施例中化学缩变的变化示意图；
图7为本发明实施例中剪切模量随温度的变化示意图；
图8为本发明实施例中结构变形图；
图9为本发明实施例中胶层应力随时间的变化示意图；
图10为本发明实施例中基于实验的结构优化示意图。
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。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体地连接；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。
本发明可以通过以下技术方案来实现：首先，基于多阶段本构模型，测定折边胶的物理特性参数；然后测定内、外板的物理特性参数；然后建立有限元模型，将物理特性参数赋予数值模型；最后求解热-化学-结构多物理场耦合下的结构变形和胶层内应力变化数据，计算流程如图1所示。
步骤一：折边胶的本构模型
如图2所示，在加热、保温和降温的单个循环温度载荷下，折边胶的本构模型由三个点Tgel、Tb和Tg分为不同的四个阶段I、II、III和IV，分别对应着折边胶的四种状态，粘流态、高弹态、粘弹态和玻璃态。由于粘流态的折边胶在加热过程中可以流动，故忽略了其产生的影响。
Figure BDA0002919047620000061
Figure BDA0002919047620000062
Figure BDA0002919047620000063
(1)折边胶的固化模型
固化动力学模型表示为
Figure BDA0002919047620000064
模型的参数通过差式量热扫描法(DSC)获得。其中，固化模型分为n级f(α)＝(1-α)n或自催化动力学模型f(α)＝αm(1-α)n两种。进一步根据Málek法来判定具体形式，其是该领域一种常见的数学判定算法。该方法引入了关于固化度的特征函数y(α)和z(α)
Figure BDA0002919047620000065
Figure BDA0002919047620000066
Figure BDA0002919047620000067
Figure BDA0002919047620000068
对自催化模型的辨别方法为
Figure BDA0002919047620000069
且
Figure BDA00029190476200000610
αm、
Figure BDA00029190476200000611
分别为y(α)和z(α)曲线顶点处的固化度。
将f(α)＝αm(1-α)n代入式(4)，两侧取对数得到方程
Figure BDA0002919047620000071
通过参数拟合获得自催化固化动力学曲线，如图4所示。
(2)凝胶点的确定
通过旋转流变仪，获得储能模量G’和储能模量G”，当两者相等时，判定为凝胶点Tgel。
(3)玻璃化转变温度
通过DMA法测定损耗角正切值随温度的变化，当该值达到最大时，判定为玻璃化转变温度Tg。
(4)体积模量和热膨胀系数
通过高压膨胀计，测定折边胶应力P、体积V和温度T之间的关系，通过修正的Tait方程，描述比体积随压力和温度的变化关系。
Figure BDA0002919047620000072
通过对压力求偏导，获得体积模量K
Figure BDA0002919047620000073
通过对温度求偏导获得热膨胀系数CTE
Figure BDA0002919047620000074
如图5所示，得到折边胶的体积模量和热膨胀系数曲线。
(5)化学缩变
图6化学缩变采用高压膨胀计，测量恒温条件下比体积的变化，化学缩变采用线性弹性模型
Figure BDA0002919047620000075
(6)剪切模量
在阶段II中，剪切模量采用固化度相关的模型
Figure BDA0002919047620000081
在阶段III和IV中，采用线性粘弹性模型
Figure BDA0002919047620000082
为建立不同温度与参考温度下的力学关系，在阶段III中的时温等效方程为
Figure BDA0002919047620000083
为建立不同温度与参考温度下的力学关系，在阶段IV中的时温等效方程为
Figure BDA0002919047620000084
如图7所示，通过扭转拉伸机获得的剪切模量曲线。
步骤二：获得板材的物理特性参数
采用常见的实验方法获得，内外板材料的物理参数。如外板采用铝合金AA6016，内板采用钢板DC04，两种材料的密度和弹性模量。采用线弹性力学模型。
步骤三：有限元模型的建立
通过常见的几何建模软件，如Solidworks，建立几何模型，样本尺寸如图9所示。然后导入有限元软件中COMSOL中，将上述测定的材料属性赋予有限元模型。
步骤四：热-化学-结构场的计算
加热固化时温度场的变化，可以表示为
Figure BDA0002919047620000085
在多物理场耦合仿真软件中，如COMSOL，通过通用结构场模块模拟结构场(1)，采用PDE模块模拟固化动力学模型(9)，采用热分析模块模拟加热温度场(18)。
通过式(1)、(9)和(18)建立直接的热-化学-结构场耦合模型，通过施加温度载荷获得，结构变形如图8,胶层应变如图9所示。
进一步地，采用步骤1-4的仿真，在实现结构的变形和胶层内应力的准确预测的基础上，可以开展结构工艺参数优化，如图10所示。通过修改结构参数，如板材厚度、胶层厚度、胶粘宽度等，调整胶层的物理属性，如弹性模量、体积模量等，以实现结构工艺参数合理匹配，为新型折边胶的研制，异质滚合结构的最佳匹配提供最优的解决方案。
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 (10)

1.一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于多阶段本构模型，测定折边胶的物理特性参数；
步骤2：测定异质内、外板材料的物理特性参数；
步骤3：建立不同结构形式的几何模型，并将由步骤1和步骤2所测定的物理特性参数赋值该几何模型；
步骤4：基于赋值后的几何模型，在循环温度载荷和约束条件下，获得热-化学-结构多物理场耦合下的结构变形和胶层内应力变化数据。
2.根据权利要求1所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的步骤1中的多阶段本构模型，是以折边胶的凝胶点、温度下降点和玻璃化转变温度点来区分得出的四阶段模型，包括阶段I、阶段II、阶段III和阶段IV。
3.根据权利要求2所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的折边胶的凝胶点采用流变法确定：由旋转流变仪测定储能模量和损耗模量，当两者相等时判定为折边胶的凝胶点；
所述的折边胶的温度下降点由温度循环工艺确定：为保温阶段进入下降阶段处的拐点为折边胶的温度下降点；
所述的折边胶的玻璃化转变温度点由动态热机械分析法确定：当损耗角正切值达到最大时，对应的温度点为折边胶的玻璃化转变温度点。
4.根据权利要求1所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的步骤1中的折边胶的物理特性参数，包括固化动力学模型、化学缩变、体积模量、热膨胀系数和剪切模量，所述的固化动力学模型中的参数通过差式量热扫描法获得，并通过Málek判据，来确定固化模型的具体形式为n级固化动力学模型或自催化固化动力学模型。
5.根据权利要求4所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的化学缩变、体积模量和热膨胀系数于所述多阶段本构模型中对应阶段中所采用的数学模型相同，其中，所述的化学缩变采用压力-体积-温度实验法(PVT)来确定，采用线性简化模型来表示固化度相关的化学缩变过程；所述的体积模量通过对修正的Tait方程对压力求偏导获得，其与时间和固化度无关，只与温度有关，所述的修正的Tait方程，其参数由PVT实验确定，并通过高压膨胀计来测定所述PVT实验的参数；所述的热膨胀系数通过所述的修正的Tait方程对温度求偏导获得，其与时间和固化度无关，只与温度有关。
6.根据权利要求4所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的剪切模量于所述多阶段本构模型中对应阶段中所采用的数学模型不相同，其中包括：采用与固化度相关的数学模型、采用线性粘弹性模型和WLF时温等效方程或采用线性粘弹性模型和Arrhenius时温等效方程。
7.根据权利要求1所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的步骤2中的异质内、外板材料的物理特性参数包括密度、弹性模量、泊松比、硬化指数和热膨胀系数。
8.根据权利要求1所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下分步骤：
步骤301：于建模软件中，创建以外板、胶层和内板异质材料组成的不同结构形式的滚合结构几何模型；
步骤302：将该滚合结构几何模型导入至有限元分析软件中；
步骤303：于有限元分析软件中，将由步骤1和步骤2所测定的物理特性参数赋值该几何模型。
9.根据权利要求8所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：将循环温度载荷和约束条件加载到有限元分析软件中的该几何模型后，求解热-化学-结构变形方程，以获得最终的结构变形和胶层内应力变化数据。
10.根据权利要求1所述的一种胶粘异质车身门盖件固化变形及残余内应力预测方法，其特征在于，该方法还包括步骤5：以所述步骤4中的结构变形值和胶层内应力值作为目标值，通过改变结构的几何尺寸和物理参数，如板材厚度、胶层厚度、胶层的物理参数，通过多次有限元仿真，实现结构和物理参数合理匹配，以降低变形值和应力值。
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