鋁合金壓印接頭靜力學性能及動態響應特性研究

宋春雨，雷 蕾，金映麗，趙志強，石 也

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

隨著工業技術的不斷發展汽車輕量化技術不斷推進,壓印連接技術憑借其加工成本低、成型效果好、接頭疲勞性能優越的特點成為車身輕量化的研究重點和熱點。壓印連接技術是一種可以連接同質或者異質薄板材的新型連接技術,成型后在兩板之間形成一個相互咬合的鑲嵌量,連接過程不產生廢氣、廢料,不損傷材料,是一種綠色塑性成型加工技術[1,2]。鋁合金是汽車車身中廣泛使用的金屬,文獻[3-6]中通過結合層次分析法和灰色關聯分析法的多標準決策方案表明鋁合金是其所研究的10種車身材料中最優的車身材料。動態響應特性研究可以準確地測試其固有頻率以判斷接頭狀態,所以研究壓印接頭的靜力學性能和動態響應特性對實際生產具有重要的意義。

1 試驗原理

壓印連接接頭在受到外界激勵時,將按特定頻率進行自然振動,這個特定的頻率被稱為壓印接頭的固有頻率,在自由狀態下接頭的自由度是最多的,可以得到所有的振型模態[7]。固有頻率取決于系統的質量、剛度和幾何形狀等因素。單自由度無阻尼系統固有頻率計算公式為:

(1)

其中:k為系統剛度;m為系統質量。

單自由度無阻尼系統固有頻率ωn與單自由度有阻尼系統固有頻率ωα的關系是:

(2)

由公式(1)可以看出,接頭的固有頻率最主要的影響因素分別是剛度和質量。對壓印接頭而言,服役時間長短對質量分布影響有限,但是剛度分布會由于不同工況、不同時間、裂紋的萌生與擴展使接頭部分產生損傷而變化,從而導致接頭固有頻率變化。

2 試驗過程

2.1 接頭制備

單點搭接是實際生產生活中最常見的一種連接方式,本次試驗主要對單點搭接進行了研究。接頭頸部承擔拉伸剪切載荷,為了保證試驗的一致性,試驗試件板材都按照單點搭接的形式進行了布置。試件尺寸為110 mm×20 mm×1.5 mm,裁剪時沿軋制方向,兩端放置墊片以消除扭矩影響。試件搭接方式如圖1所示。

圖1 試件搭接方式

目前,對于壓印連接接頭的質量并沒有完善的評價標準,通常通過接頭截面的參數——鑲嵌量TU、頸部厚度TN、底厚X來定性地分析接頭的質量。相關學者通過大量的試驗發現一個合格的接頭底厚X是上、下兩板材厚度之和的三分之一左右,所以在實際制作接頭過程中往往通過控制底厚保證接頭質量的一致性[9]。但是實際上,真正判定接頭質量好壞的決定性因素是TU和TN。圖2為完好的接頭沿壓印點子午面剖開后的接頭截面參數,該接頭成型參數為:TU=0.220 3mm,TN=0.431 9 mm。觀察截面處的參數可知底部厚度為0.972 6 mm,接近于兩個板材總厚度三分之一,達到預判標準。為了消除試驗誤差帶來的影響,試驗制備了10組接頭,分別命名為CA1～CA10。

圖2 接頭的截面參數

2.2 靜力學試驗

2.2.1 靜力學試驗結果

通過提取試驗機上的數據,使用Origin繪圖軟件繪制各接頭的載荷-位移曲線,如圖3所示。

圖3 5182鋁合金同質接頭載荷-位移曲線

由圖3可以看出:隨著試驗的進行,位移逐漸增加,載荷逐漸變大,曲線快速上升,接頭開始承擔拉伸剪切載荷;隨后,曲線上升趨勢減緩并慢慢達到峰值,曲線達到峰值后對應的載荷值即為接頭可承受的最大靜載荷,其值可達1 412 N。

其中以CA9為代表的曲線與眾不同,在達到峰值載荷后先是急劇下降后又出現一段平緩過渡階段最后趨于零。說明在成型時金屬材料流動性較差,材料堆積在頸部使得鑲嵌量小,內鎖結構不好,當鑲嵌量不足以承擔受載時,接頭便被從下板的一側拉出,這時的接頭結構已經被破壞,此時達到最大失效載荷,頸部承擔外部載荷能力減弱,開始發生塑性變形并有裂紋萌生;隨后載荷急速下降,裂紋在頸部擴展,所以載荷-位移曲線出現一個過渡區域,直至頸部斷裂為止,所以失效模式為混合頸部斷裂,如圖4(a)所示。

圖4 接頭失效模式

對于其他接頭,最大失效載荷略高,沒有被拉脫,說明接頭成型較好,頸部厚度均勻,此時的失效模式為頸部斷裂,如圖4(b)所示。

2.2.2 斷口分析

使用高真空掃描電鏡對CA9典型混合失效的斷口進行觀察,結果如圖5所示。由圖5(b)可以看出:1處斷口出現韌窩花樣,且韌窩花樣均沿著載荷施加方向被拉長,表現為內凹狀,韌窩周圍顯現少量微孔和第二相質點夾雜物,滿足韌性斷裂特征。由圖5(c)可以看出:表面平滑,可見大量撕裂棱,表現為河流花樣,屬于準解理斷裂,是一種介于韌窩斷裂和解理斷裂之間的斷裂形式;同時河流花樣邊緣伴隨韌窩花樣,符合韌性斷裂特征,是準解理斷裂和韌性斷裂的混合斷裂。所以,接頭先在1處失效,裂紋逐漸擴展至2處后完全失效。

2.3 建模與仿真

首先將接頭的截面圖片導入SolidWorks中對關鍵數據進行同等尺寸草圖繪制,對草圖進行旋轉、割補建模。由于接頭在成型中涉及到大變形和材料的流動,因此將模型導入Hypermesh中進行網格劃分,在網格劃分時可以將接頭進行切割、化簡;最后將網格模型導入ABAQUS有限元軟件中求解。由于蘭索士法具有較高的求解精度,因此在模態分析中采用該算法,接頭求解模型及第14階振型如圖6所示。由仿真分析結果可知,前6階模態振型是剛體在X-Y平面的振動且固有頻率接近于0,表1給出了接頭前7～14階固有頻率及振型特點。

表1 接頭前7～14階固有頻率及振型特點

圖6 接頭的求解模型和第14階振型圖

2.4 搭建試驗平臺

為探究不同服役狀態下接頭固有頻率變化趨勢,搭建動態響應試驗平臺,如圖7所示。試驗平臺主要由激勵設備、測量設備(加速度傳感器)、分析設備構成,采用錘擊法測量接頭固有頻率。在試驗臺上設置兩個海綿塊用來承接試件,目的是模擬接頭處于自由狀態。當力錘施加一個激振信號后,加速度傳感器會采集由此引發的輸出信號,數據采集儀對試驗數據進行處理與分析,結果可以直接在筆記本電腦上顯示一條動態響應特性曲線。曲線波峰是研究重點,波峰所對應橫坐標即為某一階固有頻率,同時需要說明的是加速度傳感器只能測得Z軸方向的振動信號。

圖7 動態試驗數據采集裝置

3 動態特性分析

在靜力試驗開始前采集試件原始狀態下的動態響應特性曲線,如圖8所示,曲線的波峰對應的橫坐標即為接頭的固有頻率。根據圖像可知第4個峰值較高,固有頻率變化較為顯著,可以用來表征壓印接頭的固有屬性。

圖8 試件原始狀態下的動態響應特性曲線

隨著接頭的服役會影響剛度分布,使剛度逐漸降低,結合公式(2)可知固有頻率在原則上會降低。通過有限元軟件分析得知第4個峰值對應的橫坐標即為接頭的第14階固有頻率,通過對比仿真分析結果發現第14階的頻率變化最敏感,固有頻率幅度最大且最具規律性。由此可見,結合動態響應特性曲線可以用來預測接頭未來的壽命趨勢。

4 結論

本文使用5182鋁合金同質接頭進行靜力學試驗,結合SEM觀測其斷口微觀形貌,同時采集其原始狀態的固有頻率,得到如下結論:

(1) 5182鋁合金同質接頭最大失效載荷可達到1 412 N,接頭的失效模式為頸部斷裂失效和部分接頭的混合失效。

(2) 有限元仿真分析有效,可以模擬分析接頭振型,對接頭的變化較為敏感的固有頻率階數判斷有指導作用。