金属板料滚压塑性连接接头静强度研究

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近年来,随着绿色环保、节约能源的发展理念不断深入人心,轻量化设计成为产品设计制造过程中的重要问题,采用轻量化材料是一种最直接的方法、而各种轻量化材料的连接工艺尤为重要,为此一些新型的连接工艺得到了发展。滚压塑性连接技术就是在传统无铆连接技术的基础上发展的一种新型板料连接工艺,而对于这种工艺的连接强度最值得关注,因此对其连接接头的静强度研究具有重要意义。本文以2.0 mm厚的Al1060板料为研究对象,采用数值模拟、试验研究和理论分析的方法对滚压塑性连接接头的静强度(剪切强度和剥离强度)进行研究。通过有限元仿真,研究了模具及工艺参数对静强度的影响;基于仿真结果,利用响应曲面分析中的BBD法研究了各个参数及两参数间相互作用对静强度的影响的权重,并得到静强度最佳的成形参数。采用试验研究的方法,对接头的静强度进行了试验验证。最后,采用理论分析的方法建立了静强度的力学模型,得到不同条件下的静强度计算公式,并将计算结果与试验结果进行了对比。本文研究所得结论如下:(1)仿真结果表明,影响接头剪切强度的因素主要有:凹模的深度、凸模的旋转角度以及内、外圆角。剪切强度随着旋转角度的增大(即底厚值的减小)逐渐增大,随着凹模深度的增加逐渐减小,随凸模内、外圆角的增大变化较小。(2)响应曲面分析的结果表明,凹模深度、凸模内圆角和凸模外圆角对接头剪切强度影响的权重大小分别为0.79、0.2和0.01。当凹模深度为2.26 mm,凸模内圆角为0.3 mm,凸模外圆角为1.36 mm时,接头的最大剪切强度为1239.73 N。(3)试验结果表明,当凹模深度为2.2mm时,接头剪切强度随着底厚值的减小而增大,但后期趋于平缓。当凹模深度为2.3 mm和2.4 mm时,剪切强度随底厚值的减小呈现先增大后降低的趋势。在三种凹模深度下,接头剥离强度均随着底厚值的减小而增大。当凹模深度为2.3 mm时,接头的强度较好,且底厚值范围分别为板料总厚度的20%-30%和15%-25%时,剪切和剥离强度较好,试验和仿真结果基本吻合。(4)接头剪切强度的理论计算公式为F1=σ·A=σ·[BL-(L-2Tn1)(B-2Tn2)+BH],剥离强度的理论计算公式为F2=σL·π(R2-RP2)·η。剪切强度主要取决于断裂面的面积,其断裂面积越大,接头剪切强度越高。剥离强度主要由材料的拉拔应力、接头的互锁值和颈厚值共同决定,且其互锁值的影响较大。通过以上研究可以看出,通过减小底厚值(即增大旋转角),可以有效地提高滚压塑性连接接头的剥离强度。
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