热熔自攻丝技术连接钢铝板材的试验与仿真研究

摘要

随着全球能源不断消耗，汽车行业将越来越重视轻量化发展。而汽车轻量化的发展趋势势必将更多的轻质材料应用于汽车领域，这对轻质材料组合的工艺提出了更高的要求。在如今的铝车身连接工艺中，铝点焊和SPR铆接被广泛使用，但铝合金所具备的导热性强、易氧化、线膨胀系数大等特点对焊接带来极大困难，尤其是在钢铝混合连接情况下，点焊根本无法在使用，而且汽车上有很多腔体结构，SPR铆接也受到局限，而热熔自攻丝工艺所具备的单面连接优势可以解决这一难题。因此对其深入研究，尤其是对钢铝混合材料组合的研究极为重要。　　本文主要对热熔自攻丝工艺所连接的钢铝混合板材进行力学性能试验及仿真研究。首先简单介绍了该工艺原理及应用优劣势，并针对于劣势而设计了一种新型可拆卸式螺钉；然后进行试验的深入研究，探讨钢铝板材组合顺序，开预冲孔以及预冲孔位置对热熔自攻丝工艺的连接强度影响，这对该工艺的应用要求提供了技术参考；之后基于试验依据，建立了精细实体仿真模型并求解，获得了较为吻合的仿真结果，该模型对未来虚拟仿真模拟热熔自攻丝工艺力学性能具有指导意义；最后，在精细实体仿真模型的基础上，又准确建立了实体螺钉的等效简化模型，大大降低了虚拟仿真的成本，此外还简单介绍了无网格粒子算法研究热熔自攻丝工艺过程以及采用欧拉算法和流固耦合方法模拟热熔钻过程。　　本次试验研究表明，在钢铝混合板材组合下，钢板在上更有利于提高该工艺的连接强度，究其内因，铝板在下将更有利于形成较长的衬套，进而使螺纹有效连接长度加长，从而提高连接强度；其次，明显得到开预冲孔的连接强度低于未开孔，但当产品连接部位并不需要很大的连接强度时，要考虑到上板材料高强度对加工成本和难度因素，这时开预冲孔反而更有利；最后，对于三层板的组合连接，在最上板开预冲孔的连接强度高于中层板。此外，本文还进行了大量的热熔自攻丝工艺仿真研究，虚拟有限元仿真方法一直是工艺产品设计的重要手段，而本次建立的多种仿真模型都与试验结果成功吻合，这对后续深入研究热熔自攻丝工艺具有指导意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文研究内容及章节安排

1.4 本章小结

第2章 热熔自攻丝工艺原理及应用研究

2.1 热熔自攻丝工艺原理及关键工艺参数研究

2.1.1 工艺原理

2.1.2 热熔自攻丝关键工艺参数

2.2 热熔自攻丝工艺优劣势及应用研究

2.2.1 热熔自攻丝连接工艺的优劣势分析

2.2.2 热熔自攻丝应用要求分析

2.3 一种改进优化的新型螺钉及安装设备设计

2.4 热熔自攻丝工艺连接点质量评价

2.5 本章小结

第3章 热熔自攻丝工艺力学性能试验

3.1 试验材料及试验设备

3.1.1 试验材料

3.1.2 试验设备

3.2 力学性能试验方案设计

3.2.1 四种组合搭接设计方案

3.2.2 预冲孔的选择

3.2.3 板材尺寸及拉伸试验

3.3 试验结果分析

3.4 本章小结

第4章 热熔自攻丝精细模型仿真研究

4.1 有限元方法介绍

4.2 网格模型

4.2.1 金相剖面试验

4.2.2 划分网格

4.3 材料模型

4.4 其他参数设置

4.4.1 加载与边界条件

4.4.2 关键字设置

4.5 仿真结果对标试验

4.5.1 仿真与试验曲线

4.5.2 仿真与试验失效模式

4.6 本章小结

第5章 等效简化仿真及工艺过程仿真研究

5.1 等效简化模型

5.1.1 采用ConstrainedExtraNode单元等效实体螺钉

5.1.2 采用rigids单元等效实体螺钉

5.2 工艺过程仿真模型

5.2.1 采用SPH算法模拟热熔自攻丝工艺过程

5.2.2 采用Euler算法模拟热熔钻过程

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢