高强度7075铝合金温热自冲铆接过程数值模拟研究

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高强度7075铝合金在室温下表现高强度、低塑性的特点,常温下的车身装配中并不能直接进行自冲铆连接。此外,铝合金电阻点焊接头力学性能不稳定以及胶粘工艺的低耐热性,使得该型铝合金无法大量引入汽车车身结构的批量生产中。针对上述问题,出现了一种新型温热自冲铆接工艺(Thermal Self-Pierce Riveting,T-SPR)。由于高温环境下可有效降低7075铝合金的强度,提升其塑性,同时进行相应的热板料-冷模具自冲铆接,可确保该型铝合金的铆接质量和接头性能。本文基于上述新型自冲铆连接工艺,重点开展了T-SPR自冲铆接头连接过程的仿真模拟研究,通过评价接头剖面参数进而分析实际的铆接效果,并使用有限元软件对不同工艺因素下的接头质量进行评估,具体研究内容如下:1.基于单向热力拉伸实验,测取高强度7075铝合金在300oC、350oC、400oC以及0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1应变率条件下的高温力学行为。实验结果显示高温环境可显著降低7075铝合金的屈服强度,抑制材料的硬化属性,同时较大程度地提高材料的塑性。其中,400oC下材料的抗拉强度为室温下的5%,较高应变率下的材料屈服强度与断裂应变相对提高,在0.1 s-1条件下的材料断裂应变相对0.001 s-1条件下可提高约16%。2.基于Johnson-Cook本构关系和数值反算流程,获得了准确的7075铝合金高温热力学行为的特征参数。分别对比了原始J-C模型与一种修正J-C模型的硬化与断裂参数,并拟合了不同高温条件及应变率下的应力应变曲线,使用相关性系数与相对误差进一步评价了两类J-C模型在数据拟合度上的准确性。结果表明:修正J-C模型由于其考虑温度软化与应变率强化共同耦合作用,可以更好的表征7075铝合金的高温热力学行为,有助于后续建立准确的有限元仿真模型。3.进一步开展了三种温度(300oC、350oC、400oC)条件下的温热自冲铆实验,并建立准确的T-SPR有限元仿真模型。通过引入拟合的J-C参数对7075铝合金温热自冲铆连接过程进行数值仿真,对比实验与仿真结果,分析T-SPR半剖接头的相关参数(互锁值、残余厚度、尾部张量),获得了T-SPR工艺的最优铆接温度区间(350-400oC)。进一步通过数值模拟评价了其他工艺因素(铆钉尺寸、凸台高度、厚度搭配及板料层数)对T-SPR接头铆接效果的影响。结果表明:铆接温度及铆钉尺寸是影响T-SPR自冲铆接效果的主要因素。
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