基于Simufact的自沖鉚接試驗與仿真平臺設計*

杜愛民，易紀偉，陳垚伊，孟憲明，吳 昊

(1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

鋁合金作為主要的輕金屬被廣泛運用于車身輕量化、底盤輕量化、發動機輕量化以及熱交換系統輕量化中。傳統的焊接工藝由于鋁合金金屬氧化物的熔點較高無法對鋁合金進行有效的連接，而自沖鉚接技術(Self-Piercing Riveting，SPR)作為一種冷連接彌補了這一缺陷。對SPR工藝的仿真研究可以縮短工藝研發時間，提高工藝研發效率，是開發SPR工藝的必要基礎[1]。

SPR仿真研究是利用有限元法，對各種自沖鉚接的板材、鉚釘和凹模等零部件在各種工藝條件下進行計算機模擬分析力-行程曲線和失效形式等。有限元建模一般主要有3步：模型建立、邊界條件的確定、有限元計算流程分析和模擬計算結果[2]。2007年，萬淑敏[3]提出了35鋼表面熱處理和6063鋁的本構方程。同年，歲波[4]建立了彈塑性的SPR有限元模型。2011年，嚴柯科等[5]對兩層5052鋁的單搭模型建立了Ls-Dyna的二維仿真，得到了應力-應變云圖和時間-載荷曲線。2015年，劉福龍等[6]對5052鋁和SPCC鋼的異種金屬鉚接建立了Ls-Dyna三維模型，將拉伸曲線簡化為雙限行力學模型，測試了自沖鉚連接材料的工程應力-應變特性。

本文以三層板自沖鉚接為研究對象搭建了SPR的試驗平臺，基于Simufact軟件搭建了仿真平臺，并基于試驗數據驗證了仿真平臺的有效性。

1 SPR工藝試驗平臺設計

1.1 SPR工藝參數

1.1.1 板料工藝參數

汽車制造中5系鋁合金和6系鋁合金的應用最為廣泛，本次試驗選取1.6 mm的6000、2.2 mm的6063-T6和2.2 mm的6082-T6等3種厚度和牌號的鋁合金作為研究對象。為了使研究更具可靠性，選取1.6 mm的6000、2.2 mm的6063-T6和2.2 mm的6082-T6鋁合金材料進行拉伸試驗，獲取其力學性能參數。根據GB/T 228.1—2010進行金屬材料拉伸試驗[7]，在CMT5205電子萬能試驗機上進行單向拉伸試驗，試驗速度為1 mm/min，引伸計標距為50 mm。3種板材的拉伸樣件尺寸均如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 拉伸樣件尺寸示意圖

圖2 6061材料的拉伸試件

3種材料的拉伸試驗結果曲線如圖3所示。根據曲線可以得出3種材料的力學性能參數(見表1)。彈性模量是指材料的彈性階段(見圖3中ae段)應力和應變的比例系數；屈服強度是指材料發生屈服現象時的屈服極限，可用圖3中e點的應力代表；抗拉強度是指材料發生斷裂時的應力極限，即圖3中b點的應力強度；延伸率是指試樣拉伸斷裂后的長度與初始長度的比值[8]。

圖3 6000、6063-T6和6082-T6的拉伸應力-應變曲線

表1 板材的力學性能參數

1.1.2 鉚釘工藝參數

鉚釘的力學參數包括鉚釘的強度、硬度。鉚釘的材質、硬度與板料的材質、硬度一定要有良好的匹配。鉚釘過軟會使自身鐓粗，使自沖鉚接未實現自沖而失效；鉚釘過硬會因塑性不夠而無法進行尾部張開變形，使鉚釘變形時自身產生裂紋，或者刺穿下層板料。通常情況下，鉚釘的材料選擇高強度合金鋼以保證有足夠的強度刺穿板料。鉚釘的表面熱處理主要是為了防止鉚接后銹蝕。本次試驗選擇直徑為8 mm的鉚釘，其幾何參數如圖4所示，力學性能參數見表2。

圖4 8 mm鉚釘實測幾何參數

表2 M8鉚釘幾何參數與力學性能參數表

1.2 鉚接設備

自沖鉚接夾具的主要原則是結構簡單、操作性好，能夠很好地達到自沖的效果。因此，本文根據鉚釘的工藝參數選用了適用于鉚釘直徑為5.3 mm的沖頭，沖頭的結構示意圖如圖5所示。

圖5 沖頭的結構示意圖

鉚接的過程可以分為壓緊、刺穿、擴張和鉚接完成等4個階段。由于壓緊和刺穿需要2個獨立的動力源，而試驗機只能提供一個動力源，因此夾具的設計中采用了彈簧機構以提供預緊力，防止鉚接過程中板材的變形。夾具的設計采用簡單、實用的設計準則[9-11]。本試驗最終鉚接夾具的結構簡圖如圖6所示。

圖6 自沖鉚接夾具的結構簡圖

下壓裝置通過連桿與CMT5205電子萬能試驗機動平臺固定連接，支撐裝置通過支座固定在試驗機靜平臺上。鉚接設備的安裝如圖7所示。

圖7 鉚接設備的安裝

1.3 試驗步驟

為了確保鉚接試驗的順利進行，在鉚接試驗開始前，應遵循以下的操作步驟。

1)鉚接夾具與試驗機的正確安裝方法為：首先固定下壓裝置與動平臺，其次手動操作手柄，調整下壓裝置完成下壓裝置與支撐裝置的配合。

2)通過操作手柄，在保證下壓裝置與支撐裝置配合的狀態下，控制動平臺的上下運動，上下運動的量程要包括整個鉚接過程的運動量程。微調征程裝置直至力傳感器的數值在動平臺運動過程中穩定，其值的浮動范圍在±2 N，即可認為力傳感器數值穩定。最后將下壓裝置與靜平臺固定連接。

3)鉚接試驗開始前對同樣的板材進行不少于20次的重復鉚接試驗，目測鉚釘頭高度和鉚接紐扣形狀均正常且鉚接過程中的力-位移曲線的一致性良好，則調試完成，開始試驗。如果不滿足要求，則重新檢查夾具的安裝，并重復上述3個步驟，直至滿足要求再開始鉚接試驗。本次試驗設定鉚接速度為20 mm/s。

2 SPR仿真平臺設計

Simufact軟件主要用于材料加工及熱處理工藝仿真優化，主要功能包含板材的沖壓、液壓、熱成型以及材料在加工過程中模具的受力、微觀組織的仿真。Simufact所用求解器同時吸納了瞬態動力學求解器MSC.Dytran和非線性有限元求解器MSC.Marc的優點，所用的建模方法為有限元法(Finite Element Analysis，FEA)和有限體積法(Finite Volume Method，FVM)兩種，這兩種方法有效率高、穩定性強的優點[12]。

2.1 模型建立

導入在Creo中畫好的鉚接幾何模型(見圖8)。

圖8 三維幾何模型

由于工程應力-應變曲線中的應力計算方式是按照材料未發生縮頸時的截面積計算，而在圖3的b點之后，材料由塑性變形轉變為局部塑性變形，發生了縮頸現象，所以材料塑性變形時的力學特征不能由工程應力-應變曲線反應[13-14]。拉伸試驗的結果進行運算可以確定真實應力-應變曲線，其能夠反應材料塑性變形時的真實力學特征。由于大多數金屬材料在發生塑性變形時都有加工硬化現象，所以其真實應力-應變曲線不是簡單的函數關系[15]。為了便于計算，一般將試驗所得的真實應力-應變曲線用拋物線函數來表示：

S=Bεn

(1)

式中，S為流動應力；ε為流動應變；B是與材料有關的參數；n為加工硬化指數。由于理論曲線和實際曲線的縮頸臨界點必須一致，且2條曲線在縮頸臨界點的斜率必須相等，可以得出：

(2)

式中，Sb、εb為實際試驗中縮頸臨界點真實應力值和真實應變值，即：

Sb=σb(1+δb)

(3)

εb=ln(1+δb)

(4)

式中，σb為材料的抗拉強度；δb為材料的伸長率。只要通過試驗求得這兩個值，就能得到材料的真實應力-應變曲線。

選擇Simufact材料庫中的6000、6063-T6、6082-T6模型，并根據圖3試驗結果和真實應力-應變的公式修改各材料的力學參數。

2.2 網格劃分

鉚釘的網格劃分選擇Quadtree網格，并設定網格的大小為0.1。由于在鉚釘內部不會經歷較大的變形，而鉚釘的邊緣將會與板料接觸并有較大變形，因此需要細化邊緣網格，細化等級為1，將會在鉚釘表面區域生成0.05大小的網格。

板料的網格劃分選擇Advancing Front Quad網格，設定網格的大小為0.2。板料與鉚釘接觸的區域也需要進行細化，細化等級為1，細化的網格大小為0.1。鉚釘和板料的網格如圖9所示。

圖9 鉚釘與板料網格

由于上層和中層板料在發生塑性變形之后會斷裂，所以需要添加網格的斷裂準則和重劃分網格。板料的斷裂準則為塑性應變>0.4，重劃分準則為網格大小<0.05。

2.3 約束設置

定義沖頭壓力的運行速度為20 mm/s。壓邊圈受到液壓設備向下的壓力，但不會隨同鉚釘一起向下移動，而是在彈簧向上的作用力下保持平衡，所以需要賦予壓邊圈一個彈簧力。位移的方向和大小需要考慮與沖頭的關系，一旦壓邊圈接觸到上層板，壓邊圈就會朝+z方向移動，所以方向選擇+z。位移描述了壓邊圈的初始位置與其允許的端部位置之間的距離，為了避免壓邊圈向下移動，設置沖頭底部與壓邊圈底部的位移差為10 mm，設定彈簧的剛度為500 N/mm，初始彈簧力為2.5 kN。最終的彈簧設置如圖10所示。

圖10 彈簧設置界面

2.4 摩擦與接觸設置

2.4.1 定義摩擦力

摩擦力設置界面如圖11所示，選擇混合摩擦力模型，設置庫侖摩擦因數為0.1，塑性剪切應力摩擦因數為0.2。

圖11 摩擦力設置界面

2.4.2 定義接觸

Simufact自沖鉚接模塊會自動識別并定義各零件間的接觸，不用再手動設置。接觸設置界面如圖12所示，值得注意的是，各層板料和板料支撐板之間的接觸關系為Glue膠接，其余接觸均為Contact彈性接觸。

圖12 接觸設置界面

2.5 控制參數設置及運行

由于鉚釘頭部到上層板上邊緣的距離為10 mm，故設定沖頭的位移為10 mm，選擇圖13所示的工件成形、后退沖頭、釋放模具壓力和釋放工件壓力4個工藝步驟。完成所有配置后點擊運行，開始計算。

圖13 SPR過程工藝步驟設置界面

3 試驗結果分析與仿真平臺驗證

通過控制鉚釘位移，得到鉚接階段不同的鉚接頭，并用線切割技術對鉚接頭沿過中心線的截面剖切，得到SPR工藝過程的力-位移曲線及鉚接頭截面如圖14所示，從圖14中可以清晰地看出SPR過程的壓緊、刺穿、擴張和鉚接完成階段。

圖14 試驗過程關鍵點剖面

圖15所示為試驗結果和仿真結果剖面對比圖，仿真結果和試驗結果的鉚釘頭部、鉚釘腿部變形形狀、板料斷裂情況都較為相似。圖16所示為試驗過程與仿真過程的鉚接力曲線對比圖，兩曲線的趨勢和數值都較為接近，且接頭剖面特征點誤差參數較小，可認為仿真具有有效性。

圖15 試驗仿真結果剖面對比圖

圖16 試驗仿真過程鉚接位移-力曲線

接頭特征參數示意圖如圖17所示，目前普遍使用多種特征參數來量化接頭的鉚合情況。

圖17 接頭特征參數示意圖

使用圖17所示的剖面特征量來對比試驗結果和仿真結果接頭質量，試驗結果和仿真結果剖面特征參數見表3。

表3 剖面特征點參數

各特征參數的誤差都在10%以內，屬于合理范圍，因此，可以認為本次仿真平臺的搭建是有效的。

4 結語

以1.6 mm厚度的6000鋁合金、2.2 mm厚度的6063-T6鋁合金和2.2 mm厚度的6082-T6鋁合金為模型搭建了SPR工藝的試驗平臺，并完成了上述模型的SPR工藝過程，最后利用線切割技術切割鉚接接頭的剖面，獲得SPR工藝過程不同階段的剖面圖。

由于SPR試驗平臺獲得接頭剖面過程較為繁瑣，難以觀察接頭剖面特征，所以搭建SPR仿真平臺并在仿真平臺有效的基礎上完成更加深入的研究。仿真平臺基于Simufact軟件，在SPR工藝結束時會自動測量接頭的剖面特征參數。通過使用與試驗平臺相同的模型和設置相同的工藝參數，完成了1.6 mm厚度的6000鋁合金、2.2 mm厚度的6063-T6鋁合金和2.2 mm厚度的6082-T6鋁合金的SPR工藝過程。通過對比試驗平臺和仿真平臺獲得的鉚接接頭，發現仿真結果剖面形態與實際剖面形態較為相似，水平自鎖量、垂直自鎖量、最小底部厚度、鉚釘張開度和鉚接力的誤差分別為6.6%、4.2%、5.6%、4.0%和6.4%，驗證了SPR仿真平臺的有效性。