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发表于 2020-6-3 09:07:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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抽芯拉铆过程铆体变化的数值模拟

张德伟,丛述玲,田春雨,张文华,徐鑫,李鹏伟,孔雪

(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)

【中国汽车材料网】摘 要:对抽芯铆接工艺过程进行数值模拟,研究铆接过程铆体形变时的应力分布及塑性应变比值变化,预测铆体应力值及变形程度。结果表明:抽芯铆接过程铆体形变主要有两个阶段,即屈服阶段与墩粗阶段,最大应力主要集中在铆体尾部区域,中间位置应力较小,塑性应变比值先大幅度增长,后趋于平缓,铆体尾部塑性应变比值大于1,成形好。将模拟结果与实验相对比,其成型形状有很好的一致性。
关键词:拉铆;铆体;数值模拟;有效塑性应力;有效塑性应变比

引言
铆接是一种不可拆卸的连接形式。近年来,我国铆接技术已在汽车、桥梁、铁路、航空领域迅速发展,广泛应用。抽芯拉铆是依据胡克定律原理,预先在连接件上钻孔,利用拉铆枪将铆钉与被铆合件铆合[1]的一种连接方法。铝合金焊接容易产生气孔、热裂纹及焊接变形,而拉铆能够适应新结构材料连接的需要,同时具有高质量及长使用寿命等优点。
在铆接技术中可以应用CAE技术进行模拟分析。湖南大学的夏平等[2]分析计算铆接铆钉所需的压力。法国的Lang -rand, B.等[3]分析了铆接基于模型和材料疲劳特性的数值过程,提出考虑铆钉材料的非线性因素[4]。通过运用仿真技术对工艺方案的可行性和有效性进行验证。

1 有限元模型的建立
两连接件采用某车身铝合金6005A型材,壁厚为2mm,铝板孔径为5.1mm。选用φ5×13mm的开口型沉头抽芯铆钉,铆钉材料为304不锈钢,应技术指标见表2.1。铆接完成后铆钉头部和墩头无切痕、压坑,裂纹及其它机械损伤。
根据抽芯铆钉铆接试验过程建立有限元模型如图1所示。
表1 铆钉技术指标

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图1 有限元模型


2 数值模拟过程及结果分析
2.1 模拟结果分析
根据轴对称特点对模型进行对称分析,从模拟过程可以看出,拉铆过程中铆体变形大致分为2个阶段:屈服阶段和墩粗阶段,有效塑性应力云图、有效塑性应变比云图如下图2、图3所示。
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图2 屈服阶段


其中塑性应变比 fcab54ca3111a21b2ca721bc67755cad.jpg ,式中 fb213904709240716e0b461584e72579.jpg ,b0、a0为试样原始宽度、厚度;b1、a1为拉伸后试样尺寸。
图2中,当夹头拉动铆钉杆时,钉杆头部与铆体接触,进而挤压铆体尾部。随着铆枪拉动钉芯的进行,铆体尾部最先变形,铆体应力变大,当达到材料的屈服极限时,铆体逐渐出现塑性变形现象。此时有效塑性应变比相对较小,主要位于铆体的尾部。
随着铆枪继续拉动钉芯,钉芯头部继续挤压铆体尾部,铆体尾部材料剧烈流动,并变形胀大,铆体尾部不再变形时,完成变形,最后形成墩头,完成墩粗阶段。其有效应力云图、有效塑性应变比率图如图3所示。最大应力主要分布于铆钉尾部与钉芯头部接触的位置,中心位置的应力较小,最终的有效塑性应变比值大于1,r值越大越有利于变形,不易断裂。
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图3 墩粗阶段


整个铆接过程的铆体的有效塑性应变比的曲线图如图4所示。
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图4 有效塑性应变比率的曲线图


从图中可以知在屈服阶段的有效塑性应变比迅速增加,并出现一峰值。当在墩粗阶段时有效塑性应变比增长缓慢,在即将完成墩粗时其值几乎不变。
2.2 实验验证
图5为模拟铆接完成后结构剖面应力云图。将试样进行断面解剖,截面成形见图6。铆接接头铆体与连接件无间隙,无错位,成形良好。
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图5 铆接的应力云图


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图6 铆接剖面图


对比图5与图6可看出,模拟结果与实验的成形形貌基本吻合。

3 结论
通过模拟计算φ5×13mm的开口型沉头抽芯铆钉铆接过程,得出:
1)铆体在拉铆过程中主要经历两个阶段:塑性阶段、墩粗阶段。
2)铆体应力主要集中在铆钉铆体尾部与钉芯凸出头部相接触的区域,中心区域的等效应变较小。
3)铆体在塑性阶段有效塑性应变比迅速增加,当在墩粗阶段时有效塑性应变比增长缓慢,最终其值几乎无变化。
4)将模拟结果与实验结果进行对比,其形貌有很好的一致性。

参考文献
[1] 彭小龙.铝板的变形修复实训[J].汽车与驾驶维修:维修版, 2015(8): 36-37.
[2] 夏平,刘兰.铆接铆钉分布压力的计算.设备设计与维修,2003,(12): 99-108.
[3] Langrand, B.,Drazetic, P, Patronelli,L.,Analysis of the riveting proc -ess forming mechanisms,International Journal of Materials Product Technology, 1998, 13 : 123-145.
[4] Langrand, B.,Riveted joints embrittlement,Validation of riveting process FE model, ONERA-Lille Report 98/01, 1998.
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