無鉚釘鉚接接頭力學性能優化研究*

莊蔚敏張凱希劉學成李兵

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心）

無鉚釘鉚接接頭力學性能優化研究*

莊蔚敏1張凱希1劉學成2李兵1

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心）

建立了AL6063鋁合金板和DC04鋼板無鉚釘鉚接有限元模型，通過無鉚釘鉚接試驗驗證了該有限元模型的準確性，并從試驗和仿真兩方面分析了板料間摩擦因數對鉚接接頭尺寸的影響規律。以接頭抵抗的最大軸向載荷作為接頭力學性能優劣的判斷依據進行了接頭力學性能優化研究，確定了一組最優參數組合方案。

1 前言

無鉚釘鉚接作為一種新型連接技術，解決了點焊在鋼鋁異種金屬連接中的缺陷，已逐漸運用于汽車覆蓋件的連接工藝中。相關研究表明，無鉚釘鉚接（下稱鉚接）接頭性能對車身零件連接性能有顯著影響，而板料間摩擦因數是影響接頭成型性能和力學性能的關健因素[1～6]，但目前尚缺乏摩擦因數對鉚接接頭性能影響規律的研究。為此，本文建立了6063鋁合金板和DC04鋼板鉚接接頭有限元模型，采用GISSMO損傷模型判斷失效，分析了摩擦因數對接頭尺寸的影響規律，并對接頭力學性能進行了優化研究。

2 有限元模型

2.1 模型建立

2.1.1 鉚接模型和力學模型

采用LS-DYNA軟件建立鉚接模型和力學模型，對鉚接過程和接頭力學性能進行分析。

建立的鉚接模型如圖1所示，鉚接模型中采用二維軸對稱單元，單元大小為0.1 mm×0.1 mm，鉚接上、下板厚度均為2.0 mm。設計的鉚接模具結構如圖2所示，其中，模具間隙d、模具深度h和凹模凹槽半徑r是影響鉚接接頭力學性能的主要參數。

鉚接接頭抵抗徑向載荷和軸向載荷的能力是判斷接頭力學性能的重要依據，為此，分別建立單向拉伸力學模型和十字剪切力學模型來模擬接頭不同受力情況，以得到接頭抵抗的最大徑向載荷和最大軸向載荷。鉚接接頭力學性能有限元模型如圖3所示。

3.2 試驗驗證

模型上板件采用AL6063鋁合金板，下板件采用DC04鋼板，兩種材料屬性見表1。

表1 兩種材料屬性

模型使用了LS DYNA軟件中24號分段線性塑性材料模型，24號材料模型中依據Cowper-Symonds方程給出不同應變率下的應力—應變關系，即

2.1.3 斷裂準則

采用GISSMO損傷模型判斷模型上、下板件的失效。GISSMO損傷模型是一個基于損傷累積的增量方程，可以通過更改方程中的變量來描述不同金屬材料包括軟化和失效在內的損傷狀態，增量方程[8]為：

式中，D為損傷因子；ΔD為損傷增量；DMGEXP為非線性損傷累積指數；εf為失效等效塑性應變；Δεp為失效等效塑性應變增量。

數據建設包括制定和完善數據標準，進行數據治理和數據質量提升，建立數據中心、數據交換及監控管理平臺，做好數據服務的應用及監管等。

隨著我國經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，人們對生活質量的要求越來越高，越來越多的人涌進城市，使得我國的城市化水平不斷提高。青島市作為我國經濟發展迅速的城市，同時作為美麗的海濱城市，其人口城市化率每年都在提高（見圖1）。

2.2 試驗驗證

2.1.4 邊界條件

鉚接試驗時，凸模進給速度為10 mm/s，由于調整凸模進給速度并不影響成型結果，為節省模型運算時間，設置凸模平均進給速度為1 500 mm/s[11]。在鉚接模型中設置凹模保持靜止，壓邊力為2 500 N，接觸條件為面面接觸。接觸條件中摩擦因數通過摩擦磨損試驗測得，如表2所列。

將力學性能模型中的下板件設置為固定，對單向拉伸模型的上板件外端施加橫向位移，對十字剪切模型上

昆明市發展鄉村旅游的鄉鎮大多處于偏僻地區，團結鄉則位于昆明市西郊。近年來，團結鄉通過新農村建設等途徑，在一定程度上提升了城鎮化水平，但基礎設施建設相比其他地區依然落后，農村道路和衛生條件有待改善，人口素質有待提高。

板件兩端施加縱向位移，通過接頭破壞時的接觸反力計算接頭抵抗的徑向載荷和軸向載荷。

項目總負責人Bernard Bigot對天空新聞網稱，無論是太陽能還是風能都具有太分散和不可預測的特性，無法滿足一個對能量需求更多的世界。他聲稱，地球上的人口接近80億，而且很快將達到100億。人類需要大量可預測的連續能源。那也是可再生能源不夠的原因。當沒有足夠的太陽能和風能時，你就能夠使用核聚變能。

103例淋巴瘤患者中，ESR升高組為66例（64.1%），ESR正常組為37例（35.9%）。ESR升高組和和正常組SUVmax分別為8.71±4.50和10.55±7.17，二組間SUVmax差異無統計學意義（P＞0.05）。

表2 AL6063與DC04的摩擦因數

采用AL6063鋁合金材料建立平板單向拉伸仿真模型，以驗證GISSMO損傷模型的準確性。仿真結果與試驗結果對比如圖4所示[9,10]。由圖4可看出，仿真數據與試驗數據基本吻合，這表明了GISSMO損傷模型的準確性，可用于模擬材料失效。

鉚接試驗模具如圖5所示，試驗時凸模進給速度為10 mm/s，壓邊力為2 500 N，板料處于自然摩擦狀態，共進行3組試驗。圖6為仿真接頭成型截面與試驗接頭成型截面對比結果。

c.模具間隙d。d過小易沖斷上板件，d過大則接頭無法形成有效自鎖，所以選取d為1.6～2.0 mm。

3 摩擦因數對接頭尺寸的影響

3.1 仿真試驗

影響鉚接接頭力學性能的主要因素為接頭的頸厚值Tn和嵌入量Tu。

在其它參數不變的情況下，取摩擦因數分別為0.05、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55和0.65來分析摩擦因數對接頭尺寸的影響，試驗結果如圖7所示。由圖7可看出，隨摩擦因數的增加，接頭頸厚值Tn逐漸減小，在摩擦因數為0.35～0.65時Tn變化較?。浑S摩擦因數的增加，接頭嵌入量Tu逐漸增大，在摩擦因數為0.45～0.65時Tu增長較慢。

2.1.2 材料參數

食品產業在近年來得到了迅速的發展，在成績背后，除了業界不斷推動新品銷售之外，還有另外一個重要的原因——行業內緊跟年輕消費者的需求，從包裝的材質、外觀甚至店鋪整體銷售環境上做出了升級。

進行了3種不同摩擦狀態的鉚接試驗，3種摩擦狀態分別為潤滑狀態、自然狀態和打磨狀態，3種狀態下的摩擦因數分別為0.05、0.35和0.65。將鉚接試驗得到的接頭利用線切割工藝沿接頭直徑方向切開得到接頭剖面，測量后得到9組接頭尺寸，如表3所列。

表3 不同摩擦因數無鉚釘鉚接接頭尺寸

建立5組不同板厚和模具尺寸的有限元模型，得到不同接頭抵抗的最大徑向載荷和最大軸向載荷，如表4所列。由表4可知，接頭抵抗的軸向載荷遠小于接頭抵抗的徑向載荷，故以接頭抵抗的最大軸向載荷作為接頭力學性能優劣的判斷依據。

損傷因子D在損傷累積中的初始值設置為1×10-20，D=0時單元為無損傷狀態，D=1時則認為單元失效。損傷累積指數DMGEXP設置為0.01。失效等效塑性應變εf是根據失效塑性應變與應力三軸度的關系曲線定義。對于平面應力單元，應力三軸度的范圍為-2/3～2/3；對于三維實體單元，應力三軸度的范圍為-1～1。

4 接頭力學性能優化

4.1 判斷依據

由表3可知，隨板料間摩擦因數的增加，接頭頸厚值Tn減小、嵌入量Tu增大。仿真得到的接頭尺寸值與試驗結果相比誤差小于20%。

4.2 參數優化

4.2.1 參數范圍選擇

a.凹模凹槽半徑r。r過小會導致板材流動不充分，接頭自鎖不足；r過大會導致上板因過分拉伸而破壞。選取r為0.4～1.0 mm。

當其他條件相同時，稅后凈經營利潤越大，EVA指標越高。所以企業管理者必須對投資進行有效管理，充分考慮投資成本，把不具投資價值和非核心業務進行剝離，有學者研究表明EVA考核確實提升了企業價值，并且這種提升作用主要是通過抵制企業過度投資而影響的。加大核心業務領域投資，合理規劃投資項目組合，有助于企業長遠發展，實現企業資源的優化。

表4 不同板厚和模具尺寸組合下接頭抵抗的最大徑向載荷和最大軸向載荷

b.凹模深度h。h過小會使板材被擠出凹模型腔，接頭表面不平整；h過大則接頭自鎖不足。選取h為1.8～2.2 mm。

由圖6可看出，接頭的上板件沒有發生過分的拉伸變形，同時形成有效的機械自鎖，仿真接頭尺寸與試驗接頭尺寸基本相符，由此表明，仿真模型可準確模擬鉚接成型過程。

d.摩擦因數μ。根據摩擦因數對接頭尺寸的影響分析，摩擦因數選擇為0.05～0.65。

4.2.2 優化結果分析

產品質量保障能力是企業對產品質量和質量事故監測，以及質量事故和風險控制的能力。從產品質量生產過程和售后服務角度來看，即企業是否建立相應保障機制，監測質量狀況和識別質量風險，及時解決潛在的質量風險，對已經發生的事故進行分析，避免類似批次性質量問題的再發生。由此可見，產品質量保障能力包括計量管理水平、認證管理水平、質監部門監督抽查狀況、質量事故記錄情況、市場反饋及投訴記錄情況、產品質量獲獎情況等內容。

分別改變模型中r、h、d、μ等4個參數值，通過仿真得到不同參數與接頭抵抗的最大軸向載荷間的關系，如圖8所示。

a.由圖8a可看出，隨凹槽半徑r的增大，軸向載荷呈先增大后減小的趨勢，最優凹槽半徑r為0.6。

總之，不管是黨委還是政府，也不管是哪個地方哪個部門，都要把著眼點放在經常性工作方面，都要找到自己“應該經常死死抓住不放的事情”。每個部門、每個人的經常性工作都“到位”了，我們的事業一定會興旺發達。

b.由圖8b可看出，隨凹模深度h的增大，軸向載荷呈先增大后減小的趨勢，最優凹模深度h為2.0 mm。

社交媒體日漸普及，電子商務蓬勃發展，粉絲不僅可以建立起互通有無的社交網絡，還積極參與各種商業文化的生產，粉絲進入媒介市場的壁壘被打破。

c.由圖8c可看出，隨模具間隙d的增加，軸向載荷呈先增大后減小的趨勢，最優模具間隙d為1.8 mm。

d.由圖8d可看出，隨摩擦因數μ的增大，接頭抵抗的最大軸向載荷趨于減小，摩擦因數μ為0.05時接頭抵抗的軸向載荷遠大于摩擦因數為0.65時的載荷，所以最優摩擦因數μ為0.05。

5 結束語

研究了AL6063和DC04異種金屬無鉚釘鉚接接頭性能，從仿真和試驗兩方面分析了摩擦因數對接頭尺寸的影響。結果表明，增大板料間摩擦因數可獲得較大的嵌入量，但頸厚值隨摩擦因數的增大而減小。以接頭抵抗的最大軸向載荷作為接頭力學性能好壞的判斷依據，進行了接頭力學性能優化研究，確定了最優參數組合方案。

2017年，原國土資源部批準實施《海南省礦產資源總體規劃(2016—2020年)》，指出“海南省將統籌規劃、科學開發、合理利用和依法保護礦產資源”。從2017年起，停止審批新設非國家戰略性礦產勘查項目；嚴格控制鉬、鋯英石、鈦鐵礦、螢石、石英砂、飾面石材、高嶺土等礦產的開采總量，禁止開采稀土、珊瑚礁灰巖以及占用耕地采挖磚瓦粘土礦產。

本工程為南昌某別墅，地上3層，其中每層建筑面積為158m2，為防止地下水直接進入機組造成板式換熱器反復清洗等問題，擬采用加裝中間換熱器的地下水源熱泵系統，設置1臺水-水熱泵機組，水源側配置2口抽灌兩用井，設計井深30m，每口井內各設1臺深井泵，空調側配置1臺循環水泵，3層樓的臥室、書房以及客廳等均采用風機盤管加地板輻射采暖相結合的空調模式，夏季用風機盤管供冷，冬季可用風機盤管或地板輻射采暖。

1 何玉林.金屬板料無鉚釘自沖鉚接成型規律的研究：[學位論文].桂林：桂林電子科技大學，2009.

2 楊小寧，佟錚，趙麗萍，等.金屬板件壓接數值模擬及模具設計.模具工業，2006.

3 劉麗亞.無鉚釘連接技術研究及有限元模擬：[學位論文].南京：南京航空航天大學，2005.

4 Chan Joo Lee,Jae Young Kim,Sang Kon Lee,et al.Design of mechanical clinching tools for joining of aluminium alloy sheets.Oxford：Materials and Design,2010：1854～1861.

5 Coppieters Sam,Steven Cooreman,Pascal Lava,et al.Repro?ducing the experimental pull-out and shear strength of clinched sheet metal connections using FEA.Paris:Interna?tional Journal of Material Forming,2012:123～13.

6 Casalino G，Rotondo A A.Ludovico On the numerical model?ling of the multiphysics self piercing riveting process based on the finite element technique.Oxford:Advances in Engi?neering Software,2008:787～795.

7 Porcaro R，Langseth M，Weyer S.An experimental and nu?merical investigation on self-piercing riveting.Paris:Inter?national Journal of Material Forming,2008:1307～1310.

8 Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA KEYWORD USER'S MANUAL.2012.

9 朱浩，朱亮，陳劍虹，等.不同應力狀態下鋁合金變形及損傷機理的研究.稀有金屬材料與工程，2007.

10 Bridgman PW,Percy Williams.Studies in large plastic flow and fracture.Cambridge:Harvard University Press, 1952.

11 Abe Y,Kato T,Mori K.Joinability of aluminium alloy and mild steel sheets by self piercing rivet.Lausanne:Journal of Materials Processing Technology，2006：417～421.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年10月23日。

Research on Mechanical Property Optimization of Clinching Joint

Zhuang Weimin,Zhang Kaixi1,Liu Xuecheng2,Li Bing1
（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University; 2.China FAW Group Corporation R&D Center）

A FE model for AL6063 aluminum alloy plate and DC04 steel clinching are established,and accuracy of this model is validated with clinching test,the effect law of friction coefficient between sheet metals on dimensions of clinching joint is analyzed through test and simulation.Finally,joint mechanical property optimization is investigated with the maximum axial load of joint resistance used as the assessment criteria of joint mechanical behavior,a set of optimal clinching parameters are defined.

Clinching,Joint mechanical property,Optimization

無鉚釘鉚接 接頭力學性能 優化

U463.82

A

1000-3703（2015）12-0040-04

國家自然科學基金（51375201），汽車輕量化技術創新聯盟開放基金（2013）。