籍龍波 王士彬 楊航 唐洪斌

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

1 前言

材料混合結(jié)構(gòu)在車身上的應(yīng)用可以實現(xiàn)汽車安全性、輕量化水平的共同提升[1]。鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)的輕量化技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。奧迪、捷豹、路虎等汽車制造商已經(jīng)開發(fā)出鋼-鋁混合車身及其全鋁車身；蔚來、理想、紅旗等高端品牌也逐步大面積使用鋁合金以提升車身輕量化水平[3]。鋁合金在汽車行業(yè)能否得到快速應(yīng)用主要取決于鋁板連接工藝的開發(fā)，尤其是鋼鋁異種板材之間的連接工藝[4]。對于鋼鋁異種材質(zhì)連接，存在導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率以及熱膨脹系數(shù)等方面的差異[3]，熔焊時易形成硬脆的金屬間化合物，采用傳統(tǒng)的電阻焊工藝難以實現(xiàn)鋼-鋁的可靠連接。自沖鉚連接工藝克服了傳統(tǒng)鉚接工藝復(fù)雜、外觀質(zhì)量差、不易實現(xiàn)自動化等弊端，而且能耗很低，已成為寶馬和奧迪等鋼鋁混合車身連接的主要連接技術(shù)[5]。

針對自沖鉚成型過程、工藝參數(shù)、連接質(zhì)量及失效機(jī)理研究較多[6-12]，以正交化試驗矩陣為基礎(chǔ)，對組合工藝進(jìn)行研究，以期獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)及力學(xué)性能。除了試驗手段、通過數(shù)值模擬研究也成為研究熱點[3,6,13-19]。王端義[20]采用響應(yīng)曲面法對鋼鋁異種板材的自沖鉚接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，表明仿真工具的應(yīng)用有助于輔助尋找工藝與質(zhì)量的最優(yōu)解。對于連接性能的研究，多集中于試驗方法，對于連接失效的仿真方法研究較少。由于碰撞過程為瞬態(tài)大變形，在劇烈的變形中自沖鉚連接失效直接決定了連接構(gòu)件的性能。因此，建立適用于自沖鉚連接失效參數(shù)的求解方法將有助于整車耐撞仿真精度提升。結(jié)合試驗及仿真，研究了鋼鋁復(fù)合連接的自沖鉚仿真失效參數(shù)求解方法。

2 研究方法

本研究通過樣片試驗獲取鉚接接頭的力學(xué)性能，作為耐撞仿真標(biāo)定的基礎(chǔ)。為了提升整車耐撞仿真的計算效率，提出了一種適用于仿真參數(shù)的求解方法。

通過建立鉚接接頭的精細(xì)模型，并與試驗進(jìn)行仿真標(biāo)定，標(biāo)定后模型可提取后續(xù)簡化仿真所需參數(shù)，通過與不同受力狀態(tài)的失效力峰值載荷進(jìn)行仿真標(biāo)定，最終建立整車耐撞所需的簡化仿真方法。鉚接接頭仿真失效參數(shù)求解的流程如圖1 所示。

圖1 鉚接失效參數(shù)求解流程

3 鉚接接頭精細(xì)仿真

3.1 自沖鉚精細(xì)仿真方法

3.1.1 自沖鉚精細(xì)仿真模型建立

自沖鉚連接基材選取厚度為2.0 mm 的鋼板材料DP590 與厚度為2.0 mm 的鋁板材料6061-T6。鉚接中選取工藝為鋼板在上、鋁板在下，其中鉚釘長度為5.0 mm，平底凹模的深度為1.5 mm。

精細(xì)仿真采用的軟件環(huán)境為Ls-dyna R9.3 版本。為了確保仿真準(zhǔn)確性，通過鉚接接頭的金相剖面確定鉚接接頭的幾何形態(tài)，并采用平均網(wǎng)格尺寸為0.2 mm 的實體網(wǎng)格建模（圖2）。通過單軸拉伸試驗獲取基材及鉚釘?shù)牧W(xué)性能作為精細(xì)仿真的參數(shù)輸入，材料特性見表1。

表1 基材與鉚釘?shù)牟牧蠀?shù)

圖2 鉚接接頭金相剖面與對應(yīng)的精細(xì)仿真網(wǎng)格劃分

3.1.2 自沖鉚精細(xì)仿真工況

為了綜合評價鉚接接頭各向的受力情況，仿真與試驗共設(shè)計6 種不同受力工況：搭接、T 型剝離、十字拉伸、H型0°、H型45°、H型90°（圖3～圖4）。

圖3 自沖鉚接接頭建模方法

圖4 搭接接頭仿真工況及鉚接接頭建模

3.2 精細(xì)仿真與試驗失效變形模式對比

自沖鉚接頭可承受剪切、拉伸以及拉剪混合載荷，在不同的承載模式下自沖鉚接頭往往具有不同的失效模式，主要研究自沖鉚搭接、十字拉伸、T 型剝離、H 型0°拉伸、H 型45°拉伸以及H 型90°拉伸6 種接頭的失效模式。上述6 種接頭的自沖鉚接頭具有多種失效模式，包括下層鋁板拉延失效和內(nèi)鎖失效等，因此通過試驗與仿真的標(biāo)定來判別仿真方法的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過對比分析，6 種工況的精細(xì)仿真與試驗結(jié)果均一致，證明現(xiàn)有精細(xì)仿真方法的有效性（圖5）。

6 種接頭在試驗中呈現(xiàn)出2 類失效模式：

a.搭接、H 型45°拉伸與H 型90°拉伸接頭的鋁板拉延失效的失效模式。

b.十字拉伸、T 型剝離與H 型0°拉伸為鉚釘從鋁板中拔出失效模式。

經(jīng)過仿真驗證，6 種工況精細(xì)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果均一致（表2）。

表2 不同工況仿真與試驗失效方式

3.3 精細(xì)仿真與試驗位移-載荷曲線對比

在整車碰撞仿真中，結(jié)構(gòu)的連接失效是影響變形結(jié)果的重要因素。因此，在鉚接接頭仿真中，試驗峰值載荷是核心評價指標(biāo)。提取精細(xì)仿真模型的位移-載荷曲線并與試驗對比，評價仿真失效力的精度。圖6 為6 種工況的試驗與仿真材料曲線對比。經(jīng)過精細(xì)仿真，6 種工況試驗曲線變化趨勢一致，仿真與試驗載荷峰值吻合度較高（表3）。

表3 精細(xì)仿真與試驗失效載荷對比

圖6 不同工況精細(xì)仿真試驗載荷-位移對比

綜上，精細(xì)仿真失效變形模式吻合，峰值載荷仿真精度≥90%。證明現(xiàn)有精細(xì)仿真方法可靠，可提取相關(guān)失效參數(shù)用于后續(xù)簡化仿真。

4 鉚接接頭簡化仿真

4.1 自沖鉚簡化仿真方法

由于整車碰撞模型單元規(guī)模為百萬至千萬級以上，仿真模型計算效率受限于小單元的尺寸，最小單元尺寸越小，則計算效率越低。為了滿足整車耐撞仿真應(yīng)用的要求，簡化仿真本質(zhì)上就是將仿真中模型單元的平均單元尺寸增加至滿足效率需求，同時確保仿真精度不顯著下降。本研究中簡化仿真有限元網(wǎng)格平均尺寸設(shè)定為3 mm。網(wǎng)格劃分及工況設(shè)定如圖7 所示。為了驗證仿真的準(zhǔn)確性，同時建立與試驗工況相適應(yīng)的接頭拉伸工況，如圖8 所示。

圖7 自沖鉚搭接工況簡化仿真網(wǎng)格劃分示意

圖8 自沖鉚簡化模型工況示意

在整車建模過程中用來模擬連接點的方法有多種，考慮自沖鉚接頭的特點，可以用來模擬接頭的單元模型主要有BEAM 單元模型、NODAL_RIGID_BODY 單元模型與SOLID 單元模型，但這幾種仿真方法均無法準(zhǔn)確描述自沖鉚在碰撞仿真中的失效特性。采用Ls-dyna 軟件中SPR2 模型，其關(guān)鍵字為*CONSTRAINED_SPR2。

*CONSTRAINED_SPR2 模型是Hanssen 等[21]通過研究鋁合金的有鉚釘鉚接接頭在不同工況下的力學(xué)特征和失效形式，并基于大量試驗開發(fā)的等效仿真模型。此模型描述了從鉚接接頭變形起始到接頭失效全過程的載荷-位移關(guān)系，當(dāng)鉚接接頭失效時，載荷也變?yōu)榱?。圖9 為鉚接接頭拉脫失效時的受力示意。

根據(jù)Hanssen 等[21]的理論，達(dá)到最大值之前可以用一個八次式表示，達(dá)到最大值之后到失效這一段簡化為一次曲線，直到損傷為1，如圖10 所示。

圖10 自沖鉚失效損傷值曲線

圖中，fn、ft為仿真過程中的法向和切向力，為最大法向和最大切向力；δn、δt為法向和切向位移，為法向和切向最大位移（即失效位移）。ηmax為接頭在變形過程中的損傷值，（拉拔工況）或（剪切工況），為累計最大位移。

式中：ξn為拉拔工況下峰值載荷時的損傷值，其值為拉拔工況下峰值載荷位移除以總位移，如公式（3）所示；ξt為剪切工況下峰值載荷時的損傷值，其值為剪切工況下峰值載荷位移除以總位移，如公式（4）所示。

除了上述純拉拔與剪切工況，其他角度的加載情況下?lián)p傷值可通過SPR2 進(jìn)行仿真，如公式（5）～（8）：

式中：ξ為峰值載荷時的損傷值，θ為角度相關(guān)參數(shù)，α、α1、α2、α3為*CONSTRAINED_SPR2 相關(guān)的無量綱參數(shù)，也是簡化仿真中主要求解的參數(shù)。

基于上述公式可以看出，SPR2 模型不但能準(zhǔn)確仿真拉拔、剪切工況的接頭的力學(xué)行為，還能較為準(zhǔn)確地仿真包括45°拉伸、剝離在內(nèi)的其他角度拉伸的接頭的力學(xué)行為。

4.2 簡化失效參數(shù)求解

通過精細(xì)模型標(biāo)定SPR2 等效模型的失效參數(shù)。使用鉚接接頭精細(xì)模型進(jìn)行鉚接樣片的拉拔仿真、剪切仿真、45°拉伸仿真、剝離仿真，輸出整體的力-位移曲線。

失效參數(shù)求解步驟如圖11 所示：

圖11 自沖鉚失效參數(shù)求解及標(biāo)定流程

b.、ξt主要對剪切等效模型有影響，通過精細(xì)模型輸出然后使用公式計算得到ξt，微調(diào)這3 個參數(shù)使拉拔試件的等效模型力-位移曲線與精細(xì)模型吻合。

c.α1、α2、α3主要對45°拉伸等效模型有影響，調(diào)整這3 個參數(shù)使45°拉伸試件的等效模型力-位移曲線與精細(xì)模型吻合。

d.由于受力復(fù)雜，剝離試件的等效模型和試驗會存在差距，需在上述參數(shù)完成標(biāo)定后，微調(diào)ξn、ξt、α1、α2、α34 個參數(shù)，平衡4 種等效模型均與精細(xì)模型受力曲線至吻合。

通過精細(xì)仿真輸出參數(shù)（表4、表5），帶入簡化仿真模型，通過仿真迭代，最終確定出α1、α2、α3參數(shù)，具體數(shù)值見表6。

表4 拉拔工況精細(xì)模型輸出參數(shù)

表5 剪切工況精細(xì)模型輸出參數(shù)

表6 自沖鉚角度相關(guān)參數(shù)

4.3 簡化仿真與試驗位移-載荷曲線對比

將上述提取以及求解的失效參數(shù)帶入SPR2模型，將仿真位移-載荷曲線與試驗對比（圖12），曲線形態(tài)能較好地與試驗及精細(xì)仿真吻合。

圖12 不同工況簡化仿真試驗載荷-位移對比

簡化仿真不同工況的失效載荷峰值與試驗及精細(xì)仿真基本一致（表7），失效載荷峰值精度≥90%，可滿足整車級耐撞仿真的精度需求。

表7 簡化仿真與試驗失效載荷對比

5 結(jié)論

通過設(shè)計樣片級試驗，獲取仿真的基礎(chǔ)輸入，并通過精細(xì)仿真獲取簡化仿真所需參數(shù)，進(jìn)而基于SPR2 探索了其仿真失效參數(shù)求解及標(biāo)定的過程。經(jīng)不同受力工況下失效力峰值的對比分析，簡化仿真獲取的載荷峰值力與試驗吻合，峰值仿真精度可達(dá)到≥90%，為整車級耐撞仿真提供了一種可靠的自沖鉚失效參數(shù)求解方法。

a.SPR2 仿真可有效實現(xiàn)鉚接工藝不同的受力狀態(tài)，通過參數(shù)的求解可準(zhǔn)確實現(xiàn)碰撞環(huán)境下失效行為的仿真。

b.SPR2 所需的失效參數(shù)，可通過樣件試驗與精細(xì)仿真獲取，通過本文提供的求解過程，可有效實現(xiàn)仿真與試驗的高度吻合。

c.采用3 mm 平均尺寸仿真自沖鉚接頭，在滿足峰值載吻合度的同時，將鉚接接頭處單元由精細(xì)仿真0.2 mm 的平均單元尺寸提升至3 mm，滿足整車耐撞計算效率的需求。