基于应变率效应的钢铝粘铆接头失效研究

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近年来,钢铝混合车身的推广和应用对车身连接工艺提出了更高的挑战,异种材料连接工艺也成为研究热点。钢铝异种材料之间的连接工艺有铆接、粘接、以及粘铆复合连接等。其中,粘铆复合连接是将粘接和铆接结合使用,保留了两者的优点,避免了各自的缺陷,有利于保证连接接头的力学性能。目前,关于粘铆接头的研究主要集中在接头的成形过程和分析接头在准静态条件下的失效过程,但车身连接接头在服役期间经常受到冲击载荷,对冲击后应变率效应对接头力学性能影响的研究已经成为车身轻量化领域的一个重点课题。本文在粘铆复合连接工艺的基础上,考虑了应变率效应对钢铝板材、胶粘剂和粘铆接头的影响,从试验和仿真角度对粘铆接头的力学性能进行了研究。首先,研究了Q235钢、6061-T6铝合金和胶粘剂在不同应变率下的动态力学性能。选用Johnson-Cook本构模型及其失效准则来表征Q235钢和6061-T6铝合金的动态力学性能。采用弹塑性材料模型来考虑胶粘剂及其失效行为的应变率相关性。基于试验和数值仿真拟合了相关参数并验证了胶粘剂和钢铝材料模型的准确性。之后,制备了钢铝粘铆接头,研究了应变率效应对钢铝粘铆接头力学性能的影响。基于拉拔工况的特点,设计制作了钢铝粘铆试件的十字拉拔夹具。采用高速液压伺服材料试验机和高速DIC设备,进行了钢铝粘铆接头在三种工况(拉剪工况、剥离工况和拉拔工况)和三种速度(1 m/s、5 m/s和10 m/s)下的失效试验。基于失效形式和载荷-位移曲线,分析了钢铝粘铆接头在不同应变率下的损伤机理。最后,建立了考虑应变率效应的钢铝粘铆接头精细有限元模型和简化有限元模型,模拟了接头在不同应变率下的失效行为。采用有限元软件ABAQUS建立了钢铝粘铆接头的精细有限元模型,以细致的网格来模拟接头各个部位在失效时的受力状态。在有限元软件LS-DYNA中使用八六面体实体单元建立了钢铝粘铆接头的简化有限元模型,以少量网格来模拟接头的传力特性。基于八六面体实体单元和TIEBREAK接触,建立了考虑应变率效应的钢铝粘铆接头的两段式失效简化有限元模型,模拟了接头完整的失效行为。最后,将仿真结果与试验结果进行对比验证。基于上述研究,建立了可以模拟钢铝粘铆接头在不同应变率下的失效行为的精细有限元模型和简化有限元模型;分析了钢铝粘铆接头在不同应变率下的损伤机理;推动了简化有限元模型在钢铝粘铆接头失效仿真中的应用。
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