金属-聚合物及金属-复合材料薄壁结构压印连接技术的研究进展

随着结构轻量化需求的增加,金属-聚合物及金属-复合材料薄壁结构在交通运输和航空航天等多个领域得到广泛应用。压印连接具有高效、节能环保和成本低等优势,为异种材料的连接提供了解决方案。由于聚合物及其复合材料延展性较差,为了减小接头的成形损伤、提高连接效率及接头的力学性能,一些改进的连接工艺相继被提出。为了推动压印连接的工程应用,本文综述了金属-聚合物及金属-复合材料薄壁结构的压印连接技术,对各连接工艺的适用性、成形工艺方法、成形质量影响因素和接头力学性能进行探讨。最后,针对连接工艺设计中亟待解决的问题,展望了压印连接技术的研究方向。

22MnB5高强钢/7075铝合金热铆接冷模具淬火无铆钉铆接研究

针对目前车用22Mn B5高强钢和7075铝合金板料在连接工艺上存在的问题,提出一种高强钢和铝合金异种材料车身零件的热铆接冷模具淬火(Hot riveting quenching,HRQ)无铆钉铆接工艺,利用22Mn B5在高温下良好的成形性及易淬性,实现对22Mn B5高强钢与7075铝合金的有效连接。通过建立HRQ无铆钉铆接的成形和淬冷有限元模型,证明了该工艺的可行性,使铆接后接头的高强钢具有全马氏体组织,保证了接头的强度。并从仿真和试验两方面研究高强钢铆接温度对接头尺寸颈厚值T_n、自锁值T_u的影响,发现在600~800℃区间内,T_n和T_u均呈现先上升后下降的趋势,T_u受温度影响更显著,两者均在700℃时获得最大值,表明700℃是高强钢板料的最佳铆接初始温度。

基于连续介质损伤力学预测7075铝合金热冲压成形极限图

针对应用试验方法获得的7075-T6铝合金板材热冲压成形极限图(FLD)的局限性,开展了基于连续介质损伤力学预测7075铝合金热成形FLD的方法研究。提出应用一组单轴黏塑性损伤本构方程并优化材料常数,建立了平面应力损伤本构方程,通过分析7075铝合金在不同温度时成形极限曲线(FLC)的特点,得出不同应力状态对损伤的影响,预测7075-T6铝合金板材在四组温度和三组应变率下的FLC。研究结果表明,基于单轴损伤本构方程进行数值分析得到的应力-应变曲线与试验曲线基本吻合。应用平面应力黏塑性损伤本构方程能够预测铝合金板材热冲压过程中不同温度和应变率的FLD,为铝合金板材热冲压过程提供失效判断依据。

轿车参数化分析模型的构造及在车身开发中的应用研究

建立了基于三箱式轿车结构的参数化分析模型。根据车身概念设计的流程和特点构建了概念设计阶段的车身开发平台,平台封装了开发所需的大部分分析和优化方法,并实现了轿车参数化分析模型和车身开发平台的集成,使得设计人员可以在统一的操作环境下基本实现对汽车车身概念设计过程的控制。研究表明,该系统实现了早期车身开发的CAD与CAE的集成,提高结构方案选择的效率和结构设计的可靠性,表现出很大的柔性,提高了设计效率。

超高强钢/铝合金热铆连接接头性能

提出了热铆接淬火(Hot riveting quenching,HRQ)无铆钉铆接技术,可有效解决车身超高强钢与铝合金异种材料零件的连接问题。通过建立22MnB5超高强钢和7075铝合金HRQ无铆钉铆接有限元模型,以接头抵抗拉伸载荷的能力作为判断接头力学性能的标准,研究了模具参数和工艺参数对接头力学性能的影响。从对凸模半径R_t、凹槽半径r_a及凹模深度h_a等参数的优化和铆接接头的有限元单向拉伸仿真和试验中发现,在铆接成形温度T=700℃,凸模行程为5.3mm的成形条件下,无铆钉铆接接头力学性能强度最好。同时可得出接头所能承受的载荷主要与铆接接头的颈厚值相关,颈厚值的大小决定了铆接点处所受单向拉伸力的大小。

基于侧碰抗撞性的AA7075 B柱轻量化设计

基于某车型的整体侧面碰撞有限元模型建立了车身侧面碰撞简化模型,并验证了二者的一致性。构建了AA7075 Johnson-Cook塑性阶段材料本构模型,将AA7075材料用于B柱内板和加强板,并与原模型进行了抗撞性对比分析。改进了加强板的结构,建立了近似模型并对其进行了厚度优化。结果表明,AA7075 B柱板件在有效降低侵入速度峰值和最大侵入位移的条件下质量减轻了60%,轻量化效果明显。

基于连续损伤力学的表面涂层损伤模拟

针对传统宏观力学研究涂层问题的局限性,开展了基于损伤力学的表面涂层有限元模拟方法研究。首先建立损伤力学材料模型;然后通过有限元软件ABAQUS提供的子程序(VUMAT)接口,将该材料模型嵌入到ABAQUS求解器;最后对涂层进行数值模拟以分析涂层的力学性能。用该材料模型分析不仅可以得到涂层的应力分布,而且可以得到涂层在载荷作用下的损伤过程。通过研究反力与涂层厚度的关系,提出用裂纹穿透涂层时的反力来衡量涂层的承载能力。此外,还可以根据在一定载荷作用下涂层厚度与裂纹深度的关系得到涂层的临界厚度,进而为涂层厚度设计提供参考。

无铆钉铆接接头力学性能优化研究

建立了AL6063铝合金板和DC04钢板无铆钉铆接有限元模型,通过无铆钉铆接试验验证了该有限元模型的准确性,并从试验和仿真两方面分析了板料间摩擦因数对铆接接头尺寸的影响规律。以接头抵抗的最大轴向载荷作为接头力学性能优劣的判断依据进行了接头力学性能优化研究,确定了一组最优参数组合方案。

基于损伤-相变本构模型的高强钢热成形数值模拟分析

针对目前商用有限元分析软件在模拟高强钢热成形过程中,只能模拟相变过程而无法模拟成形损伤过程这一问题,建立了高强钢热成形损伤-相变本构模型,通过编写该力学模型的用户自定义材料子程序,将其应用于LS-DYNA软件的高强钢热成形数值模拟中,在预测相变演化的同时实现成形损伤演化的预测。对帽形件进行了热成形虚拟试验,试验中马氏体体积分数的最大值出现在帽形件的法兰部位,其均值为98.5%,而成形损伤的最大值则集中在帽形件侧壁的中部,其值达到了0.7,该试验验证了本构模型的有效性,为高强钢热成形的实际生产提供了指导。

加工硬化特性对无铆钉接头力学性能影响的研究

以6063铝合金为基础,通过修改硬化指数构造了一组新的材料。建立了无铆钉接头力学性能有限元模型,对不同材料的接头抵抗轴向载荷的力学性能进行了数值模拟,并引入加工硬化影响因子β来表征不同材料加工硬化特性对无铆钉接头抵抗轴向载荷力学性能的影响程度。试验结果表明,加工硬化特性能加强无铆钉铆接接头力学性能,且对接头失效模式有一定影响。

基于损伤因子的7075铝合金B柱热成形工艺优化

针对仿真中难以简单判断7075铝合金热成形失效的问题,引入损伤因子作为评判失效的参数。首先,建立了7075铝合金高温损伤本构方程。随后,使用FORTRAN语言编写Ls-dyna用户自定义材料子程序,对B柱进行热成形有限元分析,研究单一参数变化对B柱成形最大损伤值的影响。最后,利用正交实验分析对成形参数进行优化,最终确定了一组最优成形工艺参数组合:板料初始温度420℃,模具初始温度60℃,摩擦因数0.15,压边力6 000N,冲压速度230mm/s。

基于微观晶相建模的双相钢吸能特性研究

基于Voronoi和概率分布理论,提出材料微观晶相建模方法及其实现流程,建立微观晶相可视化几何模型。通过将微观晶相生成系统和ABAQUS有限元软件相结合,实现了基于微观晶相建模的双相钢有限元仿真,仿真中单相铁素体及马氏体均采用理想弹塑性材料模型,同时,以延性损伤模型模拟材料的破坏行为。以该仿真模型为基础,建立一系列不同晶粒尺寸、不同马氏体体积分数的双相钢微观晶相仿真模型,进行双相钢吸能特性研究,研究表明虽然双相钢吸能量随晶粒尺寸的不同略有差异,但总体均随马氏体体积分数的增加呈现先上升后下降的趋势,最优吸能时双相钢中马氏体体积分数均在2%～5%范围内。实现了双相钢微观尺度下的吸能研究,为轻量化汽车车身安全件的选材提供指导。

碳纤维复合材料导流罩轻量化设计技术研究

为满足商用车轻量化发展需求,从材料轻量化角度出发,将某款商用车驾驶室的玻璃钢顶导流罩替换为碳纤维环氧树脂基复合材料(CFRP)顶导流罩,实现了降重30%的目标,同时性能指标达成,甚至优于原玻璃钢顶导流罩;基于3D-Hashin复合材料失效准则和Cohesive分层失效准则,建立了CFRP基本力学性能仿真模型,并通过与试验结果进行对比,验证了模型的有效性与材料参数准确性;通过优化碳纤维复合材料层合板的铺层角度设计,建立顶导流罩有限元模型,将两种材料的约束模态和刚度进行对比分析,结果表明:与原玻璃钢顶导流罩相比,碳纤维复合材料(CFRP)顶导流罩在显著降重的基础上,约束模态和平均刚度均有所提升,且满足强度性能指标。

碳纤维与铝合金螺栓连接拉伸失效仿真研究

通过有限元软件ABAQUS中Explicit模块建立碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)与铝合金螺栓连接接头的有限元仿真三维模型,并进行了相对应的单钉单剪拉伸试验研究。结合试验和仿真结果,获得了螺栓连接接头在单轴拉伸载荷下的损伤失效模式。铝合金失效基于延展性(Ductile)金属失效准则,CFRP失效准则基于Hashin准则,可以表现复合材料在纤维拉伸压缩、基体拉伸压缩、法向分层拉伸压缩和纤维与基体剪切模式下的7种失效形式,复合材料起始失效后采用刚度折减规则实现刚度退化。结果表明,螺栓失效过程分为3个阶段,即线弹性阶段、CFRP损伤起始阶段、接头失效阶段。对比仿真和试验结果,以接头强度角度考虑,仿真结果与试验结果误差为6.3%,说明了有限元仿真模型的有效性。通过有限元仿真结果分析发现,在螺栓接头失效过程中,CFRP失效发生在基体拉伸和压缩模式以及法向分层压缩模式上,铝合金表现出了明显的延展性损伤形式。

概念设计阶段轿车参数化分析模型及控制参数优化研究

在概念设计阶段对车身进行结构分析与参数优化具有重要的意义。提出了建立简化模型时提取参数的原则。按此原则提取典型参数,确定主要参数以及各个尺寸之间的数学关系,然后应用ANSYS程序语言的代码构建模型,再读入ANSYS进行分析和优化,以达到快速选型和确定结构断面参数的目的。

概念设计阶段车身结构分析开发流程研究

在概念设计阶段对车身进行结构分析，是具有重要意义的。本文提出了在概念设计阶段车身开发的系统流程，概括了车身开发中常用的分析方法和约束条件，使车身概念设计系统化和规范化。

基于感应加热的变强度薄壁圆管压溃仿真研究

通过移动式感应加热的方式,获得强度分布可控的变强度薄壁圆管,提出影响变强度管强度分布的两个主要因素,加热比例P和加热区强度S,并通过仿真研究准静态压溃过程中其对圆管变形模式和载荷吸能特性的影响规律。结果表明随着P增加,变强度管非轴对称褶皱数目先减小再增加;随着S增加,非轴对称褶皱数目增加,最后趋于稳定数值。P=50%时和S=803Mpa的圆管有着最高的吸能量和较低的最大载荷峰值。研究成果为车辆抗撞压溃吸能构件的性能设计提供借鉴。

基于知识的设计系统开发方法

论述了基于知识的工程的基本理论及基于知识的设计系统的原理及先进性 ,详细介绍了系统的开发过程和方法 。

纤维增强复合材料与铝合金自冲铆接研究进展

为降低汽车尾气排放和提高能源的有效利用率,车身轻量化是汽车设计制造的发展趋势。近年来,铝合金、镁合金、钛合金和纤维增强复合材料等新轻型材料因具有低密度和较高的比强度及比刚度而被广泛应用于汽车及航空航天制造业。纤维增强复合材料具有高比模量、优异的耐腐蚀性、热物理性能和疲劳性能,同时还具备阻尼减震和可设计性强等优势,在汽车行业中的应用规模不断扩大。随着轻质材料在车身中的进一步应用,多材料混合车身结构对连接技术提出挑战。电阻点焊、激光焊接、传统铆接和粘接是车身常用的连接技术,随着全铝车身及混合材料车身结构的应用,自冲铆接、压印连接和搅拌摩擦焊等新型连接工艺得到推广和应用。纤维增强复合材料在车身中常与铝合金进行连接,自冲铆作为一种新轻型板材连接技术,为复合材料和金属的连接提供了解决方案。纤维增强复合材料在自冲铆过程中,铆接区域会遭受损伤,从而影响接头的外观和力学性能。因此,复合材料的损伤及其对接头性能的影响是车企关注的核心问题。目前,对复合材料自冲铆接的研究主要集中在碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料和铝合金的连接,所研究复合材料的基体分为环氧树脂和聚酰胺,增强纤维的结构分为短切型、编织型和单向带等。由于环氧树脂为一种热固性基体,环氧树脂基纤维增强复合材料只能作为上板进行自冲铆接;而对于延展性较好的热塑性树脂基复合材料可以作为上板或下板进行连接。接头的成形工艺影响复合材料的损伤程度,采用圆头铆钉、增大铆接速度及控制钉头高度高于上板表面均能减小复合材料在自冲铆过程中的损伤,进而使接头获得更优的力学性能。本文归纳了复合材料和铝合金自冲铆接的研究进展,从接头的成形质量、铆接损伤、力学性能、失效形式和数值模拟研究等方面进行阐述,并展望了相关研究思路和方法,以期为纤维增强复合材料在车身中的应用提供参考。

自冲铆接头疲劳性能影响因素研究进展

由于近年来车身轻量化的需求,全铝车身结构及混合材料车身结构是车身设计制造的发展趋势,其结构连接问题也面临巨大的挑战。自冲铆接作为一种冷成型技术,通过铆钉和板料形成机械内锁结构进行板材连接,可以用来连接两层和多层金属及非金属板材。相对于传统连接技术,自冲铆接具有无需预先打孔、连接过程环境友好、可以连接异质板材及非金属板材等优点,同时所得到的接头具有较好的密封性及力学性能。自冲铆接作为轻量化结构的一种新型连接手段,近年来因具有独特的优势得到迅速发展。疲劳性能是接头工程应用的关键性能指标,自冲铆接头的疲劳性能研究主要针对铝合金及高强钢等车身材料展开,近年来研究者们对钛合金和纤维增强复合材料等新型材料自冲铆接头的疲劳性能进行了相关探索性研究。影响自冲铆接头疲劳性能的因素众多,提高自冲铆接头疲劳性能的方法及探究接头的疲劳失效机理一直是研究者们所关注的热点。影响自冲铆接头疲劳性能的因素主要包括铆接工艺、基板参数、铆钉分布形式、接头搭接形式、疲劳加载参数、试验温度和添加粘接剂等,其中大量研究主要针对铆接工艺、基板参数和铆钉分布形式展开。研究表明,采用高强度的板材作下板、增加板厚及使用硬度较高的圆头铆钉进行连接能够提高单搭自冲铆接头的疲劳性能;铆钉个数的增加可以显著提高接头的疲劳性能,采用不同铆钉分布形式及铆钉边距影响接头的疲劳性能。自冲铆接头存在残余应力,同时微动磨损是导致机械连接疲劳失效的主要原因,通过去应力退火可以提高接头在高疲劳载荷下的疲劳寿命,对基板添加润滑剂镀层也可以改善接头的疲劳性能。此外,粘铆复合接头目前在车身连接中得到广泛应用,粘接剂可以减弱接头的应力集中,从而改善其疲劳性能。疲劳试验耗时较多,试验成本较高。研究自冲铆接头疲劳性能的影响因素可以为后续研究及其工程应用提供相关参考。本文归纳了自冲铆接头疲劳性能影响因素的研究进展并总结了改善接头疲劳性能的方法,同时对自冲铆接的研究方向进行分析和展望。