鉚釘裂紋對自沖鉚接力學性能影響的仿真與試驗研究

摘要：通過有限元模型模擬了自沖鉚接在連接高強度鋼時產生的鉚釘裂紋，并系統研究了鉚釘的裂紋深度、位置和數量對鋼鋁自沖鉚接接頭力學性能的影響。首先使用LS-DYNA軟件建立了2D軸對稱仿真模型來模擬自沖鉚接工藝過程，并通過對比試驗和仿真的接頭剖面驗證了仿真模型的準確性。然后采用一種2D-3D有限元模型生成方法建立了模擬接頭力學特性的3D仿真接頭模型，并使用LS-OPT軟件對鉚釘斷裂參數進行了標定。所建立的接頭模型能夠準確地模擬自沖鉚接接頭的力學特性。參數研究的結果表明：接頭的力學性能隨著裂紋深度的增大而下降，且隨著外部裂紋位置的向下移動而逐漸增強，但內部裂紋的影響不大；當鉚釘存在多個裂紋時，接頭力學性能取決于最弱的裂紋，與裂紋數量無關。

關鍵詞：自沖鉚接；裂紋；仿真模型；力學性能

中圖分類號：TG938

Numerical and Experimental Study on Effects of Rivet Crack on Mechanics Properties of Self-piercing Riveted Joints

CHENG Aiguo1 WANG Chao1 YU Wanyuan^2* HE Zhicheng1

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing Technology for Vehicle，Hunan University，Changsha，410082

2.Liuzhou Polytechnic University，Liuzhou，Guangxi，545001

Abstract： The rivet cracks generated in joining high-strength steels using SPR were simulated through finite element model， and the effects of rivet crack depth， crack position， and crack quantity on the mechanics properties of steel-aluminum SPR joints were systematically investigated. Firstly， a 2D axisymmetric numerical model was established using LS-DYNA software to simulate the SPR processes， and the accuracy of the numerical model was validated by comparing experimental and simulated joint cross-profiles. Secondly， a 2D-3D finite element model generation method was employed to establish a 3D numerical model of SPR joints to simulate the mechanics properties of SPR joints. The fracture parameters of rivets were calibrated using LS-OPT software. The developed 3D numerical model of SPR joints could accurately predict the mechanics properties of SPR joints. The results of parametric study indicate that the mechanics properties of the SPR joints decrease with increasing crack depth and gradually increase as the external crack position moves downward， but the internal crack has minimal influence. When multiple cracks exist in the rivets， the mechanics properties of the joints depend on the weakest cracks and are independent of the quantity.

Key words： self-piercing riveting（SPR）; crack; numerical model; mechanics property

0 引言

輕量化作為有效減少運輸工具能耗的重要手段，在汽車、航空航天和軌道交通等領域得到快速發展^［1-3］。在汽車制造中，多材料混合結構設計的使用已成為輕量化的最重要途徑^［4］。然而，使用傳統的電阻點焊技術（resistance spot welding， RSW）難以實現不同材料的可靠連接。自沖鉚接（self-piercing riveting， SPR）作為一種機械連接工藝，是目前多材料結構的主要連接方法，在航空航天、汽車和鐵路運輸等行業有著廣泛的應用^［5-6］。SPR技術能夠連接具有不同機械性能的材料，例如鋁合金、高強度鋼、鎂合金和碳纖維復合材料等^［7］。

SPR接頭質量通常取決于工藝參數設計，如鉚釘形狀^［8］、鉚釘硬度^［9］、模具輪廓^［10］和鉚接速度等^［11］。為了確保接頭具有良好的接頭強度，為特定的板材組合選擇合適的鉚釘至關重要。鉚釘的選擇對SPR接頭強度的影響主要來自于由此產生的成形質量的差異^［7］。WANG等^［9］的研究表明，鉚釘硬度的選擇取決于要連接的板材組合，對于材料強度更高和更厚的板材，應該選擇一個硬度和剛度更高的鉚釘。DU等^［12］發現增加鉚釘長度可以減小最小厚度并增加互鎖，導致接頭強度和能量吸收的增加。KARIM等^［13］研究了不同鉚釘涂層對SPR接頭強度的影響，結果表明摩擦因數高的涂層鉚釘會提高接頭的剪切和拉伸峰值載荷。當鉚釘連接高強度和厚板材時，鉚接過程中鉚釘會出現鉚釘損傷，包括鉚釘鐓粗、鉚釘腿彎曲和鉚釘腿部斷裂等^［14］。ECKSTEIN等^［15］ 發現當鉚釘腿被壓縮并沿著壓縮褶皺斷裂時會產生外部裂紋，當鉚釘腿中的負載過大時會出現內部裂紋。HOANG等^［16］研究了鋁合金鉚釘在鉚接過程中的壓縮斷裂機理，結果表明鉚釘裂紋出現在鉚接的最后階段，晶粒受到剪切作用而發生彎曲斷裂。MORI等^［17］通過優化模具形狀實現了更大厚度范圍的超高強度鋼和鋁合金的連接，但當鋼板厚度超過2.0 mm時，鉚釘仍然會出現裂紋。丁志勇等^［18］發現當上層鋼板厚度達到2.0 mm后，鉚釘腿上出現的裂紋導致接頭在力學測試中的能量吸收顯著降低，但接頭強度未受影響。WANG等^［19］在局部加厚自沖鉚接工藝中得到了相似的結論。

近年來，越來越多的學者采用有限元仿真模擬技術來預測接頭質量，并研究工藝參數對接頭質量的影響。ABE等^［20］使用商業軟件LS-DYNA開發了二維（2D）軸對稱SPR模型，并研究了鋁板和鋼板的可連接性。RUSIA等^［21］開發了一種三維（3D）接頭有限元模型，所建立的模型能夠準確地模擬SPR接頭在準靜態載荷下的特性。WANG等^［22］采用smooth particle Galerkin算法建立了3D接頭有限元模型，并研究了鉚釘長度、鉚釘刃角、鉚釘壁厚、模具直徑和模具深度對接頭成形質量和接頭強度的影響。

雖然現有研究發現了鉚釘裂紋產生機理和對力學性能的影響，但關于鉚釘裂紋對SPR接頭的力學性能的影響機理研究鮮見有報道。此外，使用有限元仿真來研究裂紋對SPR接頭力學性能和失效機理的報道較少。本文研究了鉚釘的裂紋深度、數量和位置對鋼鋁SPR接頭力學性能的影響。首先使用LS-DYNA軟件建立了2D軸對稱模型來模擬SPR鉚接過程，并通過對比試驗和仿真的參數來驗證仿真模型的正確性；然后通過2D-3D的有限元模型的生成方法建立了接頭仿真模型來模擬接頭的力學特性，并通過LS-OPT軟件標定了鉚釘斷裂參數；詳細比較了SPR接頭在試驗和仿真中的力學性能；最后基于所建立的接頭仿真模型開展了參數研究。

1 試驗材料及方法

1.1 鉚接試樣

本文中的鋼鋁接頭由DP590高強度鋼板和6063-T6鋁合金組成。DP590和6063-T6板材的尺寸為120 mm× 40 mm，厚度分別為1.6 mm和2.5 mm，重疊長度為40 mm。鋼板作為上層，鋁板放置在下層，如圖1a所示。DP590和6063-T6的機械性能通過單軸拉伸試驗獲得。鉚釘為硼鋼制成的半空心鉚釘，由一浦萊斯公司制造，硬度為H6（520HV）。通過軸向試驗系統對鉚釘進行壓縮試驗，以表征鉚釘的機械性能。鉚釘和模具的尺寸由一浦萊斯公司根據連接材料和板材厚度提供，進行了多次試驗測試，以獲得合適的鉚釘和模具尺寸。鉚釘和模具的尺寸分別如圖1b和圖1c所示。表1列出了板材和鉚釘的力學性能，圖2給出了板材和鉚釘的應力塑性應變曲線。

1.2 接頭剪切力學試驗

通過準靜態試驗來研究SPR接頭的強度、能量吸收和失效模式，其中能量吸收通過對接頭拉伸的力位移曲線進行積分得到。在室溫下，剪切試驗在C43電子萬能試驗機上進行，如圖3所示。加載端和約束端的調節器用于保證剪切試樣保持居中，不產生彎矩。拉伸速度設置為3 mm/min，重復測試三次，在接頭上下層板材完全分離后終止測試。在剪切試驗完成后，觀察接頭的斷裂界面，在蔡司掃描電子顯微鏡上進行斷口分析，以評估接頭的斷裂特征。

2 模型的建立與驗證

2.1 材料本構及損傷模型

在SPR工藝模擬中，通常采用LS-DYNA中的彈塑性材料模型MAT24 （*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY）對板材和鉚釘進行建模。在SPR接頭模擬中，鉚接區域會出現材料失效，本文采用Johnson-Cook斷裂模型來定義板材的失效行為，DP590和6063-T6的失效參數見表2和表3^{［12，23］}。Johnson-Cook斷裂模型是基于孔洞增長理論提出的，考慮了應力三軸度、應變速率和溫度對材料斷裂行為的影響^［24］。LS-DYNA中對應的是MAT15 （*MAT_JOHNSON_COOK）材料模型。在不考慮材料溫度效應的情況下，Johnson-Cook模型可以在方程中使用簡化的本構關系：

σeq=（A+Bεnp）（1+Clnε·ε·0）（1）

式中：A、B、n、C為模型本構參數；σeq為等效應力；εp為等效塑性應變；ε·/ε·0為等效塑性應變率；ε·0為參考應變率。

在不考慮材料溫度效應的情況下，應變的斷裂公式為

εf=（D1+D2exp（D3σ*））（1+D4lnε·*p）（2）

式中：D1～D4為材料損傷參數；εf為斷裂應變；σ為應力三軸度。

此外，由于鉚釘制造過程中經過了熱處理和淬火工藝，難以標定其失效模型，故采用MAT24材料中的等效塑性應變失效參數FAIL來模擬鉚釘的斷裂。FAIL為MAT24材料模型中的常應變失效模型。常應變模型一般是以單向拉伸試驗的臨界斷裂應變（等效失效塑性應變）作為判斷材料發生韌性斷裂的主要依據，一旦等效塑性應變達到閾值，材料即發生韌性斷裂，即

εf=εp（3）

2.2 SPR工藝過程模擬及驗證

在LS-DYNA中建立了SPR鉚接過程的2D軸對稱有限元模型，如圖4a所示。使用LS-DYNA中的2D軸對稱四邊形單元對鉚釘和金屬板進行建模。根據網格敏感性分析，鉚釘、板材和模具的網格尺寸設定為0.1 mm×0.1 mm，其他零件的網格尺寸設為0.2 mm×0.2 mm^［12］。在有限元模型中采用r-adaptivity方法來解決鉚接過程中引起的嚴重的單元畸變問題。在有限元模型中采用閾值為0.1mm的幾何失效標準，以模擬鉚接過程中上層板的刺穿后的斷裂過程。根據表1和圖2中提供的數據，將鉚釘和板材的材料模型建模為MAT24彈塑性材料，沖頭、壓邊圈和模具設定為MAT20 （*MAT_RIGID）剛體材料。為了準確地捕捉表面之間的接觸，采用摩擦因數為0.2的自動2D面對面接觸算法（*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_

TO_SURFACE）。圖4b中SPR接頭的成形質量主要由鉚釘與下層板形成的機械互鎖Δu來表征。若下層板在鉚接后的最小厚度Δb過小，可能會導致腐蝕問題，因而也常和Δu共同評價接頭成形質量。在滿足機械互鎖的前提下，釘頭高度Δh主要影響表面質量。通過對比試驗結果和仿真結果之間的截面形狀發現仿真與試驗結果吻合良好，仿真結果中鉚釘出現鐓粗的變形，而且兩個關鍵的成形質量參數Δu和Δb的相對誤差均在8%以內，如圖4c所示。

不同鉚接行程ΔS下的鉚接應力和應變分布如圖5所示。首先當板材被壓邊圈和模具夾在一起時，沒有觀察到板材變形。其次隨著鉚釘向下移動，當ΔS =2.0 mm時，板材在鉚釘的作用下向下彎曲。鉚釘尖端出現的應力有所增大，應變主要集中在鉚釘尖端周邊的上層板上。當ΔS =3.9 mm時，下層板開始接觸模具底面，并填充模具的空間。鉚釘刺穿上層板后，斷裂的上層板對鉚釘存在側向的阻力，鉚釘的應力分布范圍擴大，而下層板受到鉚釘和模具的擠壓作用，出現塑性變形。當ΔS =5.3 mm時，鉚釘逐漸刺入下層板，下層板在鉚釘的作用下基本填充模腔。鉚釘尖端的應力已經超過鉚釘的屈服應力，達到2.3 GPa，并且鉚釘傾向于發生鐓粗變形。當ΔS=6.5 mm時，沖頭已達到指定位置，鉚釘在底板之間形成機械互鎖，鉚釘表現出明顯的鐓粗變形，下層板與模具接觸的區域存在嚴重的塑性變形，存在斷裂的風險。最后釋放沖頭，SPR工藝完成。由于鉚釘和板材經歷了復雜的塑性變形過程，故存在較明顯的殘余應力和應變。此外鉚釘的應力集中主要集中在鉚釘腿部靠近上層板的位置，這主要是由鉚釘空腔內部缺少支撐、上層鋼板在鉚釘腿上施加的阻力過大造成的^［25］。

2.3 SPR接頭模擬及驗證

2.3.1 SPR接頭模型的建立

為了簡化建模過程和降低計算量，常用的SPR接頭建模方法為2D-3D方式，即使用2D的SPR工藝過程模擬仿真的結果生成3D的SPR接頭，并考慮鉚接過程殘余應力和應變的影響^{［12，21］}。該方法的詳細過程如下：

1）3D網格模型的創建。將SPR工藝過程模擬生成的2D網格模型，圍繞對稱軸旋轉360°生成3D網格模型，單元類型為8節點的六面體單元，如圖6所示。為了減少計算時間，設定中心區域的網格尺寸為0.1 mm×0.1 mm，外側區域的網格尺寸為0.4 mm×0.4 mm，中心區域和外側區域之間的過渡區域的網格尺寸為1.0 mm×0.4 mm。

2）殘余應力應變映射。SPR工藝過程模擬中沖頭釋放后的應力和應變即為需要映射的殘余應力應變，如圖7所示。通過開發Tcl腳本程序將2D網格中的殘余應力和應變轉換為3D網格中的應力和應變，并通過*INITIAL_STRESS_SOLID和*INITIAL_STRAIN_SOLID將應力應變場自動映射到構建的三維模型中。

3）SPR剪切仿真模型。SPR接頭的三維有限元模型可由內外兩模塊裝配而成，如圖8所示。內部模塊包括鉚釘、上層板和下層板，它們的材料特性因鉚接過程而變化。外部模塊包括SPR接頭的其余部分，其材料特性在鉚接過程中保持不變。內部模塊和外部模塊通過綁定接觸（*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE）實現連接。采用自動的單面接觸（*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE）模擬不同部件之間接觸行為，摩擦因數設置為0.15^［12］。

另外，在鉚釘與其他部件之間增加了ERODING_NODES_TO_SURFACE接觸，以保證材料失效時產生穩定的接觸。

2.3.2 鉚釘失效參數標定

由于鉚接過程中鉚釘發生了明顯的鐓粗問題，導致在剪切試驗中鉚釘發生斷裂，如圖9所示。板材未發生明顯彎曲變形，說明鉚釘在剪切試驗開始后較短時間內產生失效。此外，鉚釘斷裂位置與圖5中的應力集中位置基本一致，進一步證明了所建立的模型的準確性。圖10所示為掃描電子顯微鏡觀察的鉚釘斷裂后的斷裂界面，分布廣泛的斷層和解理面證明鉚釘發生了脆性斷裂。

為了對裂紋進行模擬建模，在觀察接頭失效形態的基礎上對接頭剖面進行拋光后，通過金相顯微鏡觀察鉚接過程中產生的裂紋，如圖11a所示。鉚釘裂紋垂直于鉚釘腿，向內部延伸，裂紋位置與SPR工藝過程模擬中的殘余應力分布位置基本一致。以上結果說明在鉚接過程中，鉚釘受到了側向擠壓力產生裂紋，從而導致接頭在剪切測試中的鉚釘斷裂失效。本文采用MAT24材料中的等效塑性應變失效來模擬鉚釘的斷裂，由于鉚釘的其他位置未發生失效，故僅選擇在鉚釘的裂紋位置創建單獨的失效材料，并根據測量的裂紋長度在網格中創建了裂縫，如圖11b所示。

本節利用LS-OPT軟件中的參數識別模塊，對 MAT24材料模型中的FAIL失效參數進行反求，反求的流程如圖12所示。通過計算仿真與試驗的力位移曲線之間的面積，構建目標響應函數。基于順序區間縮減（sequential with domain reduction，SRSM）算法完成參數反求，得到的FAIL值為0.004。

2.3.3 SPR接頭驗證

圖13a所示為試驗與仿真的SPR接頭的失效行為對比結果，可知兩者的接頭變形行為具有較高的一致性。圖13b所示為接頭失效的過程，當上層板的加載端受到拉力后，鉚釘發生傾斜，上層板的約束側產生輕微翹曲。然而隨著載荷繼續增大，鉚釘發生斷裂，導致接頭無法繼續承載，此時板材均未產生明顯塑性彎曲變形。

圖14a所示為試驗與仿真的力位移曲線的對比結果。盡管在變形的初始階段，試驗曲線與映射（映射鉚接過程應力應變結果）和未映射的仿真曲線之間具有良好的一致性，但未映射的仿真模型的峰值力和最大位移小于映射的仿真模型的相應值。從SPR接頭初始變形階段到最終失效，試驗與映射的仿真的力位移曲線都具有較高的一致性。SPR接頭的試驗與仿真的力學性能對比結果如圖14b所示。數據表明，建立的映射的仿真模型能夠較為準確地模擬SPR接頭的峰值載荷和能量吸收值，相對誤差分別控制在-3.5%和3.2%以內，而未映射的仿真模型的誤差分別為-8.1%和-13%。因此，本文構建的SPR接頭仿真模型可以用于模擬剪切試驗中的不同參數的接頭的力學響應。

3 鉚釘裂紋參數設計

當鉚釘穿過厚而堅硬的板材，或者所用鉚釘的強度較低時，鉚釘斷裂可能以多種方式發生，例如外部裂紋和內部裂紋^［15］。當鉚釘腿被壓縮并沿著壓縮褶皺斷裂時，可以觀察到外部裂紋，裂紋深度與鉚釘壓縮程度有關。在SPR工藝的最后一步中移除沖頭會導致鉚釘軸區域的拉伸應力短暫增大，從而出現內部裂紋，如圖15a和圖15b所示^［［15］。此外，鉚接過程中鉚釘與上層板之間的空腔與沖頭作用的鉚接力的共同作用下會使接頭產生更深的剪切裂紋，如圖15c所示^［16］。這是因為在連接過程接近結束時，鉚釘腿上部發生了快速的局部材料變形，導致剪切斷裂。當使用的鉚釘具有較低的延展性和強度時，可能會在多處產生裂紋，如圖15d所示^［26］。

鉚釘裂紋的產生受到鉚釘和板材參數的影響，難以通過試驗產生特定的裂紋參數，例如裂紋深度、裂紋位置和裂紋數量。為了評估鉚釘裂紋對SPR接頭力學性能的影響，本文在仿真模型中定義了以上三種裂紋參數。首先定義了圖16中的裂紋位置，P1～P4為4個鉚釘外側裂紋的位置，INR1～INR4為4個鉚釘內側裂紋的位置。其中P2為原始裂紋位置，在P2位置定義了四種裂紋深度。考慮P1～P4不同數量的匹配，定義了7種裂紋數量。定義的具體裂紋參數見表4。

4 結果與討論

4.1 鉚釘裂紋深度的影響

圖17a所示為不同鉚釘裂紋深度的SPR接頭力位移曲線。4個SPR接頭的曲線在初期均呈現線性上升的趨勢，且失效前的變化趨勢基本一致。由于鉚釘裂紋的影響，接頭在不同的時刻發生失效：D1接頭無裂紋（裂紋深度為0），達到峰值后仍存在較大的波動，而D2～D4接頭達到峰值后開始快速下降，失去承載能力。失效位移隨著裂紋深度的增加而逐漸減小。圖17b所示為不同鉚釘裂紋深度的SPR接頭的峰值力和能量吸收情況。D1接頭代表無鉚釘斷裂時的力學性能，隨著裂紋的產生，接頭的能量吸收水平顯著下降。當裂紋深度較小時（D2），裂紋對接頭峰值力的影響較小，但隨著深度的增大（D3和D4），接頭峰值力明顯減小。由此可見，設計SPR連接時需要合理選擇連接參數，以避免鉚釘裂紋的產生。

圖18所示為不同鉚釘裂紋深度的SPR接頭的失效行為。D1接頭最終的失效形式是機械互鎖失效，具體表現為鉚釘從下層板脫出，如圖18a所示。在此過程中，鉚釘在上層板的拉伸作用下翻轉，板材均發生較明顯的彎曲變形，下層鋁板發生明顯的塑性變形及材料失效。另外三種接頭，隨著裂紋深度增加，板材的彎曲變形程度和塑性應變逐漸減小，如圖18b～圖18d所示。尤其是D4接頭，僅裂紋周邊的板材發現了小范圍的塑性應變，說明此時接頭承受的載荷水平最低。以上結果表明，鉚釘斷裂不利于結構產生塑性變形，無法提供承載和吸能的作用。

4.2 鉚釘裂紋位置的影響

裂紋位置對SPR接頭機械屬性的影響見圖19。圖19a和圖19c所示為不同鉚釘裂紋位置的SPR接頭力位移曲線。所有SPR接頭的曲線在初期均呈現線性上升的趨勢，且失效前的變化趨勢基本一致。圖19a中的外部裂紋位置靠下的P4接頭表現出類似于無裂紋的D1接頭的趨勢，裂紋位置靠上的P1～P3接頭均較早失效。失效位移隨著外部裂紋位置的向下移動而逐漸增大。圖19c中的內部裂紋對接頭的影響較小，僅有INR3接頭的曲線發生了快速下降，另外三個接頭的曲線與無裂紋接頭D1較為接近。但是相比于外部裂紋P3，INR3接頭的失效位移更大。圖19b和圖19d所示為不同鉚釘裂紋位置的SPR接頭的峰值力和能量吸收情況。隨著外部裂紋位置的向下移動，接頭的峰值力和能量吸收逐漸增大，如圖19b所示。當外部裂紋位置為P4時，接頭的峰值力和能量吸收水平接近D1接頭。圖19d表明內部裂紋對接頭的峰值力沒有影響，但是由于失效形式不同，位于上端的INR1/INR2接頭和最下端的INR4接頭的能量吸收水平最高，而且與D1接頭基本相當。

圖20所示為不同外部鉚釘裂紋位置的SPR接頭的失效行為。裂紋位置為P1和P2時，板材變形和下層板的塑性應變較為接近，而且基本未發現材料失效。裂紋位置為P3時，雖然失效時刻接近P2，但是由于斷裂后保留的鉚釘較長，仍然對下層板造成了明顯的材料失效。裂紋位置為P4時，雖然鉚釘尖端斷裂，但剩余的鉚釘仍與下層板構成機械互鎖，所以失效模式接近D1接頭。圖21所示為不同內部鉚釘裂紋位置的SPR接頭的失效行為。除了INR3接頭發生鉚釘斷裂外，另外三個接頭的失效形式與D1接頭基本一致。INR3接頭的裂紋位于上層板和下層板搭接處，故此處更容易受到剪切載荷的作用而產生斷裂失效。此外由于INR3接頭在失效前仍然承受較大的載荷，故下層鋁板的塑性變形接近另外三個接頭。

4.3 鉚釘裂紋數量的影響

圖22a所示為不同鉚釘裂紋數量的SPR接頭的力位移曲線。7個SPR接頭的曲線在初期均呈現線性上升的趨勢，且失效前的變化趨勢基本一致。失效位移最大的2-3接頭包含裂紋P2和P4；失效位移次之的2-1接頭包含P2和P3，3-2接頭包含P2、P3和P4；剩余失效位移最小的接頭均包含失效位置P1。由4.2節的失效位移隨著外部裂紋位置的向下移動而逐漸增加的結論可知，當鉚釘存在多個裂紋時，其力學性能取決于最弱的裂紋，與數量無關。因此，當接頭存在P4裂紋時，接頭的失效時刻位移基本一致；當接頭存在P3裂紋時，失效位移有所增大，失效時刻和位移基本一致。圖22b中不同鉚釘裂紋數量的SPR接頭的峰值力和能量吸收結果進一步證明了上述結論。

圖23所示為不同鉚釘裂紋數量的SPR接頭的失效行為。斷裂的位置均為最弱的裂紋，與圖22a中結論一致。除了2-3接頭，其余接頭中的下層板存在較少的塑性變形，P1裂紋先失效，然后P2裂紋出現部分失效。

5 結論

1）本文使用LS-DYNA軟件建立了2D軸對稱仿真模型來模擬自沖鉚接工藝過程，通過對比試驗測試和仿真結果之間的截面形狀發現仿真與試驗結果吻合良好，鉚釘均出現鐓粗的變形，而且兩個關鍵的成形質量參數Δu和Δb的相對誤差在8%以內。

2）使用2D的SPR工藝過程模擬仿真的結果生成3D仿真接頭模型，并考慮鉚接過程殘余應力和應變的影響。使用LS-OPT軟件對鉚釘斷裂參數進行了標定。試驗與仿真的SPR接頭的失效行為具有較高的一致性。仿真模型能夠較為準確地模擬SPR接頭的峰值載荷和能量吸收值，相對誤差分別控制在-3.5%和3.2%以內。

3）系統研究了鉚釘的裂紋深度、位置和數量對鋼鋁自沖鉚接接頭力學性能的影響。結果表明：接頭的力學性能隨著裂紋深度的增大而下降，且隨著外部裂紋位置的向下移動而逐漸增強，但內部裂紋的影響不大；當鉚釘存在多個裂紋時，接頭力學性能取決于最弱的裂紋，與裂紋數量無關。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：成艾國，男，1972年生，教授、博士研究生導師。研究方向為車身結構設計和優化、材料成形CAE分析、汽車產品的生態和節能技術研究及應用等。發表論文80余篇。E-mail：cheng_aiguo@163.com。

于萬元*（通信作者），女，1987年生，講師。研究方向為車身結構輕量化設計。發表論文9篇。E-mail：ywy196364@126.com。

本文引用格式：成艾國，王超，于萬元，等.鉚釘裂紋對自沖鉚接力學性能影響的仿真與試驗研究［J］. 中國機械工程，2025，36（2）：197-208.

CHENG Aiguo， WANG Chao， YU Wanyuan， et al. Numerical and Experimental Study on Effects of Rivet Crack on Mechanics Properties of Self-piercing Riveted Joints［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（2）：197-208.

基金項目：國家自然科學基金（52172357，U20A20285）;廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2024KY1097）