基于球形底模的铝合金自冲铆接工艺多元回归模型

针对低延展性铝合金薄板材料自冲铆接成形过程易出现裂纹问题,提出了一种基于球形底模的自冲铆连接工艺.针对7075铝合金材料,采用Box-Behnken Design响应面试验方法,开展自冲铆接头工艺试验研究,确定最优工艺参数.以铆钉长度,冲头速度和冲头行程作为输入变量,接头的失效载荷和能量吸收值为响应值,建立基于球形底模的自冲铆接工艺多元非线性回归模型,并进行试验验证.结果表明,采用球形底模在保证接头强度下有效抑制自冲铆接头机械内锁区裂纹的产生;应用回归模型得到的理论预测值与试验值之间的相对误差较低,回归模型具有较高的可靠性;同时,单因素分析表明,铆钉长度对接头静力学性能的影响最大;交互作用分析中,铆钉长度和冲头行程的交互作用对失效载荷和能量吸收值的影响最为显著.最后通过NSGA-Ⅱ遗传算法确定最优工艺参数组合.

酸性环境下粘接剂对异质压印接头剥离强度的影响

为探究酸性环境下粘接剂对异质压印接头剥离强度的影响,以热轧双相钢DP590和AA5052作为原材料,以0.02 mol·L^(-1)的NaHSO_(3)溶液作为腐蚀液,对异质压印接头(压印接头)和粘接-压印接头(粘-压复合接头)进行了干湿周浸交替腐蚀试验,通过静力学试验、微观失效断口以及能谱分析研究了接头在酸性环境下的静力学性能和失效机理。结果表明:粘接剂的使用显著提高了接头的最大失效载荷,粘-压复合接头的承载能力较压印接头提高了56.3%。粘接剂的使用对接头的失效形式未产生影响,在腐蚀时间为0 h时,压印接头和粘-压复合接头的失效形式均为内锁拉脱失效,但随着腐蚀的进行,失效形式逐渐转变为颈部断裂失效。粘-压复合接头上板的微观断口形貌均表现为韧窝状,下板拉伸失效部位的划痕逐渐加深。酸性腐蚀环境下压印接头搭接区域表面元素特征较粘-压复合接头变化明显,表明粘接剂的使用对压印接头起到了一定的保护作用。

颗粒增强粘接层结构参数对连接强度的影响及工艺优化

基于Box-Behnken design(BBD)响应面法,开展颗粒增强粘接试验研究,构建粘接层结构参数(粘接层厚度、颗粒粒径和颗粒体积分数)与失效载荷和能量吸收值之间的多元回归模型,辨析粘接层结构参数对接头力学性能的影响规律;同时,结合多目标遗传算法,开展粘接工艺的多目标优化,并进行试验验证。结果表明:单因素分析中,颗粒体积分数对接头强度的影响最大;交互作用分析中,粘接层厚度和颗粒体积分数对接头连接强度的影响最为显著。通过Pareto解集确定的最优粘接层结构参数组合为粘接层厚度0.531 mm、颗粒粒径61.765μm、颗粒体积分数4.099%,遗传算法的预测值与试验值之间的误差分别为5.7%(失效载荷)和0.9%(能量吸收值)。

基于响应面法的钢铝压印-粘接复合接头强度预测

为建立工艺参数及其交互作用对接头强度影响的预测模型,采用响应面法对DP590热轧双相钢和AA5052铝合金板材开展了压印-粘接复合连接工艺试验研究。以胶层厚度、冲压力和凹模深度为影响因素,接头失效载荷和能量吸收值为响应值,建立了钢铝压印-粘接复合接头强度预测的回归模型。结果表明,模型预测结果与试验结果误差小于10%,该模型拟合程度较高,可用于钢铝压印-粘接复合接头强度预测。方差分析表明,单因素对失效载荷和能量吸收值的影响从大到小的顺序一致,均为凹模深度>胶层厚度>冲压力,冲压力与凹模深度的交互作用对失效载荷影响最大,胶层厚度与凹模深度的交互作用对能量吸收值影响最大。通过分析模型预测结果可得,在一定范围内,增加凹模深度可以提高失效载荷和能量吸收值,在实际应用中,增加凹模深度、增加冲压力和加入粘结剂均可以提高接头强度。

穿透式自冲铆接接头成形工艺及力学性能

为探究穿透式自冲铆接工艺,建立了穿透式自冲铆接过程的有限元仿真模型,并开展了工艺试验研究,探究了铆钉长度和底板厚度对铝合金/聚碳酸酯异质穿透式自冲铆接接头力学性能的影响,分析了PC板的预热温度对铆接成形裂纹产生的影响。结果表明,穿透式自冲铆接工艺过程可分为压紧、刺穿上板、刺穿下板和成形4个阶段;穿透式自冲铆接接头的失效载荷和能量吸收值均随着铆钉长度和底板厚度的增加而增加;热处理不仅可以抑制裂纹的产生,还可以提高接头的力学性能,预热处理后接头的最大失效载荷相较于常温处理的试样提升了26.21%。

基于三维RVE模型的颗粒增强粘接接头断裂失效分析

开展了颗粒增强粘接接头的双悬臂梁试验,标定了其颗粒增强粘接层的Ⅰ型断裂能。建立了颗粒增强粘接接头的三维代表性体积单元有限元模型,研究了粘接层厚度、颗粒粒径和颗粒体积分数3种粘接层结构参数对接头强度的影响规律,探讨了颗粒增强粘接接头的断裂失效机理。结果表明,在粘接剂中加入一定量的颗粒增强了粘接接头的力学性能,其峰值载荷随粘接层结构参数的增加呈现出先增大后减小的趋势,且在粘接层厚度为0.5 mm、颗粒粒径Φ60μm、颗粒体积分数4%时达到最大值;颗粒的存在改变了裂纹的扩展路径,提高了接头的失效断裂能,进而提高了接头的力学性能。

基于响应面法的自冲铆-粘接复合接头强度预测

为建立可快速预测铆接参数对自冲铆-粘接复合接头力学性能影响的模型,基于响应面法对AA5182、AA5052和AL1420三种铝合金板材开展了自冲铆-粘接复合连接工艺实验研究。以板材硬度、胶层厚度及刺穿压强为自变量,失效载荷值和能量吸收值为响应值,建立各因素与优化目标的响应面回归模型,并通过实验验证模型的可靠性。研究结果表明:该回归模型预测结果值与实验结果误差小于10%,即模型显著性较高,可用来预测自冲铆-粘接复合接头的静力学性能。在单因素作用下,失效载荷值受各因素影响顺序为:板材硬度>刺穿压强>胶层厚度,各因素对能量吸收值影响情况为:板材硬度>胶层厚度>刺穿压强。板材硬度对失效载荷值与能量吸收值的影响最为显著,并且随板材硬度的增加,两者皆呈先增加后减小的变化趋势。在交互作用下,板材硬度和胶层厚度对失效载荷值影响最大,刺穿压强与胶层厚度对能量吸收值影响最显著。通过对模型预测结果分析可得:在确保接头质量的情况下,适当增大刺穿压强可有效提高接头能量吸收值。使用粘接剂时,胶层厚度须控制在0.5~0.9 mm才能与其余两因素相互配合,达到最好的铆接效果。

酸性腐蚀环境下钢铝压印接头性能

为探究酸性腐蚀工况下异质压印接头的力学性能,将通过圆形模具压印连接的铝AA5052与钢DP590试件置于0.02 mol·L^(-1)NaHSO_(3)溶液中进行周浸腐蚀试验,在腐蚀不同周期后取出称重,并进行静力学拉伸-剪切试验。腐蚀试验结果表明,腐蚀周期越长,腐蚀产物越多,试件的失重量越大,腐蚀速率则越低。静力学试验结果表明,接头的失效形式发生改变,经腐蚀后的试件皆为颈部完全断裂且铆扣部分被拉出失效,且拉伸失效形式的改变与腐蚀周期的长短无关;接头静强度呈先增大后减小的变化趋势,且增大速率明显大于减小速率;能量吸收值呈先上升后下降的趋势。

粘接剂对盐性环境下自冲铆接头耐久性的影响

制备了多组自冲铆接头及粘接-自冲铆复合接头(粘-铆复合接头),以0.6 mol·L^(-1)的NaCl溶液作为腐蚀液,进行了周期浸没加速腐蚀试验。通过腐蚀动力学、静力学测试及扫描电子显微镜对比分析了腐蚀环境下各组接头的力学性能和失效机理。结果表明,通过平底凹模制备的同种材料接头的耐腐蚀性更优。对于采用凸台凹模制备的接头,粘接剂的使用可减缓同种材料接头腐蚀速率、加剧异种材料接头的腐蚀速率。在腐蚀后的接头搭接区域观察到乳白色薄层和暗红色铁锈,该区域为主要腐蚀部位。异种材料接头搭接区域较同种材料接头的腐蚀程度更为严重。短时腐蚀可提高自冲铆接头强度,但随腐蚀时间的增加,接头强度呈下降趋势。腐蚀环境对异种材料接头影响更为显著。粘接剂的存在减缓了异种材料接头的腐蚀效应。接头断口形貌表明异种材料接头电化学反应剧烈,腐蚀液通过缝隙渗入接头内部,互锁结构被腐蚀。下板铆扣区域底部脱落由该区域早期产生的裂纹所致。异种材料接头生成的腐蚀产物表面疏松,利于Cl元素的渗透。

铝合金分瓣模压印接头的强度预测模型

采用Box-behnken design(BBD)实验设计法,开展铝合金压印接头的工艺试验研究。试验过程选用了5182、5052和6061这3种铝合金薄板,建立了以冲压力、板材厚度、板材硬度为影响因素,以失效载荷为响应值的多元回归模型,并进行了试验验证。结果表明:建立的多元回归模型可以预测铝合金压印接头的拉剪失效载荷,最大误差为17.7%,其误差在工程应用范围内较小;且方差分析表明,各因素对失效载荷影响程度大小的顺序为冲压力、板材硬度、板材厚度;压印接头的失效载荷随冲压力的增大呈先增大后减小的趋势,随板材厚度的增大呈先减小后增大的趋势,板材硬度对接头失效载荷的影响呈正线性相关性。

粘接剂对酸性环境中自冲铆接头静力学性能的影响

以AA5052-AA5052自冲铆接头(MJ)和AA5052-AA5052粘-铆复合接头(ZM)为研究对象,0.02 mol/L的NaHSO_(3)溶液作为腐蚀液,通过干湿周浸实验、静力学测试和能谱分析,对失效载荷、失效形式以及形貌变化进行分析,对比两组接头的静力学性能。结果表明:粘接剂的使用,对接头静强度有一定的促进作用;由于腐蚀产物的影响,接头静强度均呈现先减小后增大的趋势;粘接剂减小接头的能量吸收值,腐蚀时间对接头缓冲吸震的能力未产生较大影响;MJ失效形式均为T型失效,ZM分为T型和C型失效,接头失效形式也受粘接剂的影响;板材表面成分和铆钉腐蚀后也发生明显变化。

自冲铆成形机理及静力学性能分析

对自冲铆接头进行静力学试验,观察和分析力学性能的差异和失效形式。用ANSYS/LS-DYNA模拟铆接过程中各个阶段材料的流向分布,观察自冲铆成形过程。以5052铝合金自冲铆接头为金相实验对象,采用阳极化制膜进行制样,微分干涉相衬法对其进行组织形态和流向观察分析,验证模拟结果,从微观角度分析自冲铆的成形机理及对接头力学性能的影响。

粘接剂对压印连接强度的影响及数理统计分析

作为替代连接技术,压印和粘接表现出独特的优势。以压印和压印-粘接复合接头为对象,采用数理统计分析检验试验数据的合理性,进而对比不同材料组合及连接方式来分析粘接剂对压印连接接头强度的影响。试验表明,压印连接的剪切强度比剥离强度高,异种材料组合、压印-粘接复合能获得更有效的连接结构;胶层厚度为0.1mm时获得较好效果。

铝合金自冲铆接头疲劳性能及失效机理

自冲铆是轻量化材料的有效连接技术，为促进该技术的广泛应用，文中基于两组铝合金自冲铆接头，采用疲劳测试、统计方法、断口分析和X-射线能谱仪元素分析，获得接头疲劳特性和断口典型部位微观组织特征，从而对铝合金自冲铆接头疲劳性能及失效机理进行研究．结果表明，随着疲劳载荷降低，接头疲劳寿命稳定性和相对滑移量下降．由于多铆钉接头有效减小了应力集中，其疲劳强度比单铆钉接头提高了31．36％～23．14％，且多铆钉接头的疲劳寿命稳定性较高．多铆钉接头中存在首要和次要承载顺序，疲劳断裂表面为首要承载顺序所在位置．接头疲劳宏观失效模式均为下板断裂，疲劳裂纹主要萌生于铆钉管腿与下板接触部位，微振磨损区域自铆钉管腿底部向铆钉头方向生长．减缓该部位的摩擦作用，可有效延迟疲劳裂纹萌生和减缓裂纹扩展，从而提高接头疲劳寿命．

铝合金自冲铆接头静力学性能及失效机理分析

选择不同结构的自冲铆接头,进行静力学测试获得其静力学性能.采用学生氏t分布对试验数据进行统计分析,以检验数据有效性.选择宽板接头失效断口进行扫描电子显微(SEM)观察,从而研究接头失效机理.结果表明,板材宽度和铆钉数量的增加均可有效增强接头静力学性能,其中铆钉数量的影响程度更为突出.接头宏观静态失效模式均为下板脱离,板材宽度和铆钉数量会影响基板变形程度.SEM分析表明,上板主要承受拉伸,断裂部位呈现韧窝结构,最终影响接头失效位移.下板承受拉伸和压缩,其变形特征对强度和位移均有影响.

多铆钉自冲铆接头力学性能机理

以3颗铆钉连接的5052铝合金自冲铆接头为对象,通过试验的方法研究多铆钉自冲铆接头力学性能机理。获得了m-o自冲铆接头(简称m-o接头)和m-i自冲铆接头(m-i接头)的静力学和疲劳试验数据,选择正态分布和二参数威布尔分布检验数据的有效性,通过最小二乘法获得疲劳寿命最佳拟合直线和疲劳载荷-疲劳寿命曲线二参数幂函数方程。结果表明:接头静态和疲劳失效形式分别为下板被拉出和下板断裂。铆钉分布结构对接头静强度、变形能力、能量吸收能力、疲劳寿命及它们的稳定性均有影响。m-i接头静力学性能良好,m-o接头整体具有良好的疲劳性能。疲劳测试中,铆钉分布结构会导致首要和次要承载顺序的产生,疲劳断口为首要承载顺序所在位置。

粘接剂对自冲铆-粘接复合接头强度的影响及数理统计分析

以自冲铆接和自冲铆-粘接复合接头为对象,采用数理统计分析检验实验数据合理性,进而对比不同材料组合及连接方式来分析粘接剂对自冲铆接接头强度的影响。实验表明,自冲铆接的剪切强度比剥离强度高;粘接剂对异种材料组合(硬质材料置于上板)自冲铆接的影响较同种材料组合自冲铆接更显著;异种材料组合(硬质材料置于上板)自冲铆-粘接复合技术,采用胶层厚度为0.1mm时,可获得有效的连接结构且具有良好的承载能力;T型异种材料组合压印连接吸震、缓冲效果更好。

连接结构对压印及压-粘复合接头力学性能的影响

以5182铝合金为研究对象,选用不同板材作为搭接片,制备了对搭压印接头和对搭压印-粘接复合接头(压-粘复合接头)并进行了力学性能的对比。通过静力学和疲劳试验,获得了接头的静强度和疲劳性能,并采用三参数法拟合疲劳寿命曲线。结果表明,同质接头的搭接形式以及搭接片位置对接头静强度和失效形式无显著影响,但粘接剂的使用导致接头的静强度得到了明显提升,并且搭接片在上方更有利于提高压-粘复合接头的静强度。使接头静强度达到了5182铝合金本身的83%。压-粘复合接头的疲劳性能良好,使压印连接技术的应用范围得到了扩展。当疲劳载荷水平较小时,压-粘复合接头受到的疲劳载荷主要集中在搭接片上,因此应选用强度较高的板材作为搭接片。

基于试验的自冲铆接头失效机理分析

通过试验对比分析了自冲铆接头在静态力学性能测试和疲劳试验中的拉伸剪切和剥离失效机理。结果表明:母材强度和厚度、内锁长度、母材与铆钉之间的接触摩擦系数决定着自冲铆接头的静载强度和失效形式;板材轧制方向、材料缺陷、铆接成形残余应力以及接触界面摩擦系数是影响自冲铆接头疲劳寿命和疲劳失效的主要因素。

基于灰色理论和神经网络的自冲铆接头力学性能预测

为研究铆接参数对自冲铆接头力学性能的影响,对AA5052板进行自冲铆接正交试验,采用灰色关联度分析了各铆接参数对接头强度的影响程度,并通过BP神经网络建立了铆接参数与接头强度的神经网络预测模型。利用获得的正交试验数据对网络进行训练,并采用未参加训练的样本验证该预测模型的有效性。结果表明:刺穿压强和整形压强对接头强度影响最大,其中刺穿压强对接头强度起决定作用,适当增大刺穿压强可以提高接头强度。采用LM算法优化的BP神经网络模型具有良好的泛化能力和预测精度,对未参加训练样本预测精度高,其预测最大相对误差为5.48%,预测精度超过90%。