基于CAE的轻量化车身连接试验平台关键技术探析

引言

车身作为汽车三大部件之一,采用铝合金制造汽车车身,在保证强度和刚度的前提下,可以减轻自身质量50%左右。铝合金车身制造工艺的难度与复杂度远高于传统的钢制件制造工艺,为了保证车身连接质量,本文通过搭建轻量化车身连接试验平台,验证铝合金连接关键技术并对其进行分析应用,对轻量化车身制造具有重要的战略意义。

1铝合金车身关键连接工艺研究

铝合金车身连接的关键技术包括自冲铆(SpR）、无钉铆接(Clinching）、紧固件铆接、滚边成形、FDS(流钻拧紧）、铝点焊、CMT(冷金属过渡焊）等。搭建轻量化车身连接试验平台,目的就是研究并优化铝合金车身铆接工艺:研究基于力一位移信号的铝合金车身铆接质量评价体系,建立铆接力一位移曲线与铆接质量间的关系数据库,实现铆接质量在线检测:研究铝合金车身铆接失效形式,建立铆接质量检测标准和试验流程方案。

1.1自冲铆接铆点设计研究

自冲铆接是在板料和铆钉之间形成连接的一种高速机械连接工艺,不需要预先打孔,而是把所使用的半空或实心铆钉作为冲孔工具,与被铆接板料一起进行塑性变形以达到连接的目的。半空心铆钉的自冲铆接工艺,压边圈首先向下运动对铆接材料进行预压紧,防止材料在铆钉的作用力下向凹模内流动,而后冲头向下运动推动铆钉向下刺穿上层材料:在凹模与冲头的共同作用下,铆钉尾部在下层金属中张开,形成喇叭口形状以便锁止铆接材料,达到连接目的。半空心铆钉铆接工艺铆接两层相同金属材料时,较厚的放在下层:铆接两层不同金属材料时,将塑性好的材料放在下层:铆接金属与非金属材料时,将金属材料放在下层。在汽车轻量化生产中,考虑到具体的生产环境、自冲铆接工艺的特点、连接强度以及所应用材料的物理性质等,主要应用半空心铆钉的自冲铆接工艺。自冲铆接工作原理如图1所示。

自冲铆接铆接点的间距由铆接钮扣、铆模以及铆鼻的几何尺寸决定,标准铆鼻的外径为d,则两个铆接点之间的中心距离不应小于2d。由于铆接点间距过近造成铆鼻施压重叠,可能造成铆接点失效,一般铆点设计间距为30～60mm。首先进行铆点搭接分析,依托铆接工艺数据库的建立,整理待分配铆点:然后提交数据库,程序自动分析、分配:最后选择铆钉、铆模。

12自冲铆接工艺过程分析

可将自冲铆接过程分为4个阶段:压紧阶段、对上层板料的穿透(剪切）阶段、铆钉尾部张开阶段、成型(墩锻）阶段。由于铆钉与板料、板料与板料、板料与模具之间都存在间隙,所以铆接开始前需要通过加压消除间隙。铆钉在穿透上层板料的过程中,载荷近似线性平缓上升,直至铆钉尾部嵌入下层板料。铆钉尾部进入下层板料后随板料一起变形,在压边圈和模具作用下,压力快速上升,最终铆钉尾部完全张开后进入墩锻阶段,压力剧烈增加直至铆接完成。

应用CAE对自冲铆接过程进行工艺分析,与试验结果对比表明,自冲铆接模拟效果和试验效果吻合,采用有限元方法对SpR工艺进行数值模拟是有效的:铆接过程中,塑性变形主要集中在铆钉尾部和板料及模具与板料的接触部位。

2基于CAE的铝合金开闭件成型关键技术

根据铝合金车身闭合件制造特点,建立其成型过程的CAE分析平台,研究铝合金车身闭合件柔性制造单元系统集成技术,开发铝合金闭合件包边成型全套解决方案。

21铝合金材料滚边过程的CAE分析

滚边过程是材料在滚轮力及运动作用下复杂的材料流动、成型的变化过程,滚边过程中参数的选择对于闭合件包边精度、质量有很大影响。本项目采用CAE及试验相结合的方法对滚边参数进行分析研究,探索滚边工艺与精度、质量的内在关系,实现高精度、高质量的闭合件滚边工艺。以CAE方法分析铝合金材料在滚边过程中的成型过程,分析材料在成型过程的微观变化以及在滚边过程中材料力学性能的动态变化情况,为试验及项目实施提供理论依据,包括CAE分析滚轮形状设计、CAE分析最优化滚边工艺、CAE包边成型分析,辅助优化设计包边设备的结构,提高设计效率,提升滚边质量,减少现场调试时间。

22滚边工艺SE分析

滚边SE数模分析的内容包括门盖产品中不同特征结构区域(包括平直边、Z字形边、腰线区域、小凸边、拐角等）、不同的结构参数(包括开角数模和闭角数模的开角角度、翻边高度、翻边补偿量、内外板间隙和内外板交叠量）以及内外板扣合方式等。按照分析规范对各项内容分析对比后,生成滚边产品分析报告,从产品上提出设计要求,保证高滚边质量的可行性。

3铝合金车身连接性能检测与评价技术研究

试验平台通过自冲铆及无铆钉铆接的连接接头的准静态力学性能测试,建立工艺模拟的有限元模型,分析典型载荷下连接接头变形行为和连接失效机理、疲劳特性,建立准静态和高速载荷下连接力学模型及失效模式的评价方法,为铝合金连接工艺设计、建模分析和性能检测、评价提供基础数据:建立铝板连接的力-位移曲线、应力-应变关系曲线与连接质量间的关系,实现车身连接质量在线监控。

通过试验验证,建立钢-铝材料自冲铆及无铆钉铆接连接的工艺仿真模型,分析影响成型质量的关键参数:不同应变率下的冲击试验和不同幅值及频率的疲劳试验,形成不同材质和板厚的试验大数据,有利于设备开发过程的选型和优化。

4结语

综上所述,通过搭建基于CAE的轻量化车身连接试验平台,积累SE分析、铆点方案设计、仿真及铆枪选型、铆接实验的相关数据,搭建铝合金车身铆接工艺设计数据库,能够有效解决冲铆设备选型、铆接规划、工艺参数设计等技术难题,提升我国轻量化车身自主制造能力。