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铝合金无模无铆接头失效行为及力学性能研究

铝合金无模无铆接头失效行为及力学性能研究

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作者：秦登林中南大学

学位级别：硕士

汽车产业的飞速发展在方便人们生活的同时也带来了环境污染和能源危机等负面问题。因此,以铝合金为代表的轻质合金材料越来越多地被应用在汽车制造中以实现汽车轻量化,进而减少燃油消耗和尾气排放。然而,铝合金的特殊物化属性给现有连... 详细信息

汽车产业的飞速发展在方便人们生活的同时也带来了环境污染和能源危机等负面问题。因此,以铝合金为代表的轻质合金材料越来越多地被应用在汽车制造中以实现汽车轻量化,进而减少燃油消耗和尾气排放。然而,铝合金的特殊物化属性给现有连接技术带来挑战。无铆连接技术利用板材自身塑性变形在板材间产生互相镶嵌的机械互锁结构,从而实现板材的可靠连接,具有效率高、成本低和轻量化效果明显的优点,正逐渐被汽车、家电等领域广泛应用。本文提出了一种新型无压边圈式无铆连接工艺——无模无铆连接工艺,它克服了传统无铆连接工艺模具结构复杂、冲头-底模对中要求高、底模易于磨损和底部凸起过高等不足。针对所提出的无模无铆连接工艺,通过数值模拟和实验研究的手段,对该工艺条件下的接头塑性变形行为、不同外载荷下的接头失效行为和连接条件对接头力学性能的影响规律开展了系统深入研究。基于板料单轴拉伸实验数据,建立了2 mm的AA5052-H32铝合金板材Swift-Voce组合硬化弹塑性模型,以此为材料数据在Abaqus仿真平台上建立了无模无铆接头成形过程有限元模型,并通过对比实验与仿真结果的接头截面形状、成形力-冲头位移曲线和接头关键几何参数验证其准确性。借助有限元模型,对无模无铆连接过程中板料的应力场、应变场和速度场的分布及演变规律进行分析,并对冲头直径、高度、圆角半径和拔模斜度4种冲头几何参数对接头成形过程的影响规律进行研究,结合成形后接头剖面材料的微观组织和显微硬度分布,系统揭示了无模无铆连接工艺过程中板料的塑性变形行为和上、下板材间“S”形机械互锁结构的形成机制。开展了2 mm AA5052-H32铝合金板材的无模无铆接头在十字拉伸和搭接-剪切下的失效实验,对破坏后的接头宏/微观断口进行分析,从实验角度揭示了接头的失效行为。编写了N-H剪切修正GTN子程序,建立了AA5052-H32铝合金板材的细观损伤模型。对成形后的2D轴对称无模无铆接头模型依次进行网格重划分、网格三维化、场变量映射等操作,进而建立起基于N-H剪切修正GTN细观损伤模型、消除大变形网格畸变和考虑材料硬化历史的无模无铆接头失效过程有限元模型,并利用该模型对接头的抗拉载荷和抗剪载荷进行预测和对接头在两种外载荷下的变形、损伤和破坏行为进行分析,从仿真角度揭示了接头的失效过程。开展了不同成形力、板材材质组合方式和板材厚度组合方式三种连接条件下的接头成形实验、剖面观测实验和力学性能测试实验,研究了它们对无模无铆接头的机械互锁结构参数和力学性能的影响规律,揭示了连接条件、接头机械互锁结构参数、接头失效模式和接头力学性能之间的内在联系和影响机制,为无模无铆连接工艺在实际应用中确立合适的成形力和合理的板材材质/厚度组合方式提供参考。图93幅,表8个,参考文献98篇

关键词：轻量化铝合金无模无铆连接塑性变形失效行为

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