基于CAE的輕量化車身連接試驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)探析

引言

車身作為汽車三大部件之一,采用鋁合金制造汽車車身,在保證強(qiáng)度和剛度的前提下,可以減輕自身質(zhì)量50%左右。鋁合金車身制造工藝的難度與復(fù)雜度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋼制件制造工藝,為了保證車身連接質(zhì)量,本文通過搭建輕量化車身連接試驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證鋁合金連接關(guān)鍵技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析應(yīng)用,對(duì)輕量化車身制造具有重要的戰(zhàn)略意義。

1鋁合金車身關(guān)鍵連接工藝研究

鋁合金車身連接的關(guān)鍵技術(shù)包括自沖鉚(SpR）、無釘鉚接(Clinching）、緊固件鉚接、滾邊成形、FDS(流鉆擰緊）、鋁點(diǎn)焊、CMT(冷金屬過渡焊）等。搭建輕量化車身連接試驗(yàn)平臺(tái),目的就是研究并優(yōu)化鋁合金車身鉚接工藝:研究基于力一位移信號(hào)的鋁合金車身鉚接質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,建立鉚接力一位移曲線與鉚接質(zhì)量間的關(guān)系數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)鉚接質(zhì)量在線檢測(cè):研究鋁合金車身鉚接失效形式,建立鉚接質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)流程方案。

1.1自沖鉚接鉚點(diǎn)設(shè)計(jì)研究

自沖鉚接是在板料和鉚釘之間形成連接的一種高速機(jī)械連接工藝,不需要預(yù)先打孔,而是把所使用的半空或?qū)嵭你T釘作為沖孔工具,與被鉚接板料一起進(jìn)行塑性變形以達(dá)到連接的目的。半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝,壓邊圈首先向下運(yùn)動(dòng)對(duì)鉚接材料進(jìn)行預(yù)壓緊,防止材料在鉚釘?shù)淖饔昧ο孪虬寄?nèi)流動(dòng),而后沖頭向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)鉚釘向下刺穿上層材料:在凹模與沖頭的共同作用下,鉚釘尾部在下層金屬中張開,形成喇叭口形狀以便鎖止鉚接材料,達(dá)到連接目的。半空心鉚釘鉚接工藝鉚接兩層相同金屬材料時(shí),較厚的放在下層:鉚接兩層不同金屬材料時(shí),將塑性好的材料放在下層:鉚接金屬與非金屬材料時(shí),將金屬材料放在下層。在汽車輕量化生產(chǎn)中,考慮到具體的生產(chǎn)環(huán)境、自沖鉚接工藝的特點(diǎn)、連接強(qiáng)度以及所應(yīng)用材料的物理性質(zhì)等,主要應(yīng)用半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。自沖鉚接工作原理如圖1所示。

自沖鉚接鉚接點(diǎn)的間距由鉚接鈕扣、鉚模以及鉚鼻的幾何尺寸決定,標(biāo)準(zhǔn)鉚鼻的外徑為d,則兩個(gè)鉚接點(diǎn)之間的中心距離不應(yīng)小于2d。由于鉚接點(diǎn)間距過近造成鉚鼻施壓重疊,可能造成鉚接點(diǎn)失效,一般鉚點(diǎn)設(shè)計(jì)間距為30～60mm。首先進(jìn)行鉚點(diǎn)搭接分析,依托鉚接工藝數(shù)據(jù)庫的建立,整理待分配鉚點(diǎn):然后提交數(shù)據(jù)庫,程序自動(dòng)分析、分配:最后選擇鉚釘、鉚模。

12自沖鉚接工藝過程分析

可將自沖鉚接過程分為4個(gè)階段:壓緊階段、對(duì)上層板料的穿透(剪切）階段、鉚釘尾部張開階段、成型(墩鍛）階段。由于鉚釘與板料、板料與板料、板料與模具之間都存在間隙,所以鉚接開始前需要通過加壓消除間隙。鉚釘在穿透上層板料的過程中,載荷近似線性平緩上升,直至鉚釘尾部嵌入下層板料。鉚釘尾部進(jìn)入下層板料后隨板料一起變形,在壓邊圈和模具作用下,壓力快速上升,最終鉚釘尾部完全張開后進(jìn)入墩鍛階段,壓力劇烈增加直至鉚接完成。

應(yīng)用CAE對(duì)自沖鉚接過程進(jìn)行工藝分析,與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明,自沖鉚接模擬效果和試驗(yàn)效果吻合,采用有限元方法對(duì)SpR工藝進(jìn)行數(shù)值模擬是有效的:鉚接過程中,塑性變形主要集中在鉚釘尾部和板料及模具與板料的接觸部位。

2基于CAE的鋁合金開閉件成型關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)鋁合金車身閉合件制造特點(diǎn),建立其成型過程的CAE分析平臺(tái),研究鋁合金車身閉合件柔性制造單元系統(tǒng)集成技術(shù),開發(fā)鋁合金閉合件包邊成型全套解決方案。

21鋁合金材料滾邊過程的CAE分析

滾邊過程是材料在滾輪力及運(yùn)動(dòng)作用下復(fù)雜的材料流動(dòng)、成型的變化過程,滾邊過程中參數(shù)的選擇對(duì)于閉合件包邊精度、質(zhì)量有很大影響。本項(xiàng)目采用CAE及試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)滾邊參數(shù)進(jìn)行分析研究,探索滾邊工藝與精度、質(zhì)量的內(nèi)在關(guān)系,實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的閉合件滾邊工藝。以CAE方法分析鋁合金材料在滾邊過程中的成型過程,分析材料在成型過程的微觀變化以及在滾邊過程中材料力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)變化情況,為試驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)施提供理論依據(jù),包括CAE分析滾輪形狀設(shè)計(jì)、CAE分析最優(yōu)化滾邊工藝、CAE包邊成型分析,輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)包邊設(shè)備的結(jié)構(gòu),提高設(shè)計(jì)效率,提升滾邊質(zhì)量,減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

22滾邊工藝SE分析

滾邊SE數(shù)模分析的內(nèi)容包括門蓋產(chǎn)品中不同特征結(jié)構(gòu)區(qū)域(包括平直邊、Z字形邊、腰線區(qū)域、小凸邊、拐角等）、不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括開角數(shù)模和閉角數(shù)模的開角角度、翻邊高度、翻邊補(bǔ)償量、內(nèi)外板間隙和內(nèi)外板交疊量）以及內(nèi)外板扣合方式等。按照分析規(guī)范對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容分析對(duì)比后,生成滾邊產(chǎn)品分析報(bào)告,從產(chǎn)品上提出設(shè)計(jì)要求,保證高滾邊質(zhì)量的可行性。

3鋁合金車身連接性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究

試驗(yàn)平臺(tái)通過自沖鉚及無鉚釘鉚接的連接接頭的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試,建立工藝模擬的有限元模型,分析典型載荷下連接接頭變形行為和連接失效機(jī)理、疲勞特性,建立準(zhǔn)靜態(tài)和高速載荷下連接力學(xué)模型及失效模式的評(píng)價(jià)方法,為鋁合金連接工藝設(shè)計(jì)、建模分析和性能檢測(cè)、評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù):建立鋁板連接的力-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線與連接質(zhì)量間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)車身連接質(zhì)量在線監(jiān)控。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證,建立鋼-鋁材料自沖鉚及無鉚釘鉚接連接的工藝仿真模型,分析影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù):不同應(yīng)變率下的沖擊試驗(yàn)和不同幅值及頻率的疲勞試驗(yàn),形成不同材質(zhì)和板厚的試驗(yàn)大數(shù)據(jù),有利于設(shè)備開發(fā)過程的選型和優(yōu)化。

4結(jié)語

綜上所述,通過搭建基于CAE的輕量化車身連接試驗(yàn)平臺(tái),積累SE分析、鉚點(diǎn)方案設(shè)計(jì)、仿真及鉚槍選型、鉚接實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù),搭建鋁合金車身鉚接工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫,能夠有效解決沖鉚設(shè)備選型、鉚接規(guī)劃、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等技術(shù)難題,提升我國(guó)輕量化車身自主制造能力。