AA6111铝合金电阻点焊接头力学性能的有限元模拟研究

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6000系铝合金是汽车轻量化的理想材料,具有高的耐腐蚀性和成型性,电阻点焊是车用铝合金零部件连接方式中使用最广泛的。由于铝合金具有较高的导热率、导电率以及热膨胀系数,使铝合金点焊接头的性能难于控制。对于点焊接头性能的检测通常是对接头进行破坏性试验,费时费力。本文旨在构建一个可靠的点焊接头力学模型,模拟接头拉伸的过程,使之能正确地预测点焊的断裂强度与位移。本论文以AA6111铝合金为材料,以剪切拉伸接头(TS)和剥离拉伸接头(CP)为模型原型,系统地对点焊接头的组织与性能进行了分析和测试。本文铝合金点焊接头可以分为母材区、热机械影响区(TMAZ)、熔核区三个区域,其中母材区强度和硬度最高,热机械影响区次之,强度和硬度比母材区略低,熔核区最低。本论文数值模型的构建,主要从以下三个方面进行处理与校准:模型几何尺寸、模型网格划分、模型材料参数的获得与校准。对于模型几何尺寸,本论文完全参考实验中接头的几何尺寸进行建模,保证模型的尺寸精度;对于模型的网格,本文考虑了网格尺寸大小和网格划分方法两个方面,通过多次模拟计算,综合考虑运算时间和运算精度,最终确定了一个合适的加密单元尺寸:0.15 mm,网格划分方法上,对比了多种网格划分方法的影响,最终采用了熔核、TMAZ以及少部分母材进行局部加密;输入模型的材料参数主要包括弹性、塑性、断裂三个方面,其中弹性与塑性用于指导材料的弹性形变与塑性形变行为,通过拉伸试验求得,断裂采用金属延性断裂中的库伦摩尔修正准则(MMC3),并结合模拟与实验对断裂模型进行校准。将模拟的数据与试验的数据进行对比,发现2 mm×2 mm的TS接头,模型的峰值载荷为6100 N左右,最大位移(标距变化量)为1 mm左右,断裂模式为熔核界面断裂,与实验数据吻合较好;2 mm×2 mm的CP接头模型断裂前有两次峰值载荷,分别为1095 N和1108 N,断裂模式为纽扣剥离断裂,与实验数据吻合较好。除此之外,通过对比不同熔核厚度的1 mm×1 mm TS接头模型,发现在熔核断裂模式不发生改变的情况下(熔核界面断裂),增加熔核的厚度,即焊接熔深变大时,模型的断裂强度会略微有所降低,但当熔深增加到某一临界厚度时,断裂模式会由熔核界面断裂转变为纽扣剥离断裂,断裂强度和位移都有所增加。
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