鋼-鋁混合連接接頭動態(tài)力學(xué)性能研究

田杰斌，羅原，吳昊，張賽，任鵬飛，李金柱，孟憲明

中國汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院 天津 300300

1 序言

車身輕量化對于新能源車和傳統(tǒng)燃油車都有舉足輕重的影響，對節(jié)能減排的效果直接而顯著。車身材料輕量化是實現(xiàn)整車輕量化的重要途徑，而在輕量化材料中，鋁合金材料綜合性價比要高于鋼、塑料和復(fù)合材料等，因此鋼-鋁混合/全鋁車身是目前公認(rèn)的實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計的有效可行途徑[1]。然而，鋁合金材料應(yīng)用面臨的一個重要技術(shù)難點就是車身碰撞過程中的連接失效問題[2]。由于鋁合金存在熱導(dǎo)率高、焊接性差的特點，在車身連接時大量采用自沖鉚接（SPR）、流鉆鉚接（FDS）、膠接、膠鉚等機械連接工藝[3]。為了保證汽車在碰撞過程中的安全性，需要對鋼-鋁混合車身中材料的連接結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的斷裂失效行為進行分析預(yù)測，這正是國內(nèi)眾多汽車生產(chǎn)廠家亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

在國外，SPR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于奧迪、寶馬、捷豹、沃爾沃、通用、福特和菲亞特克萊斯勒等公司鋁合金車身的制造，其接頭疲勞強度可達(dá)電阻點焊的2倍；膠接工藝已經(jīng)被BMW i3碳纖維跑車采用，但是該工藝目前尚不成熟；膠鉚技術(shù)則被捷豹 Jaguar XJ、BMW5、BMW7車身普遍使用[4]。與國外相比，國內(nèi)鋼-鋁混合車身及其相關(guān)的材料連接技術(shù)研究起步較晚，目前僅有少數(shù)企業(yè)采用鋼-鋁混合車身，例如蔚來汽車、北汽新能源、奇瑞新能源等，其連接工藝主要為SPR技術(shù)。同時，國內(nèi)在車用鋼-鋁材料連接技術(shù)領(lǐng)域的研究也不夠深入，尚不具備完整的性能開發(fā)資源及正向開發(fā)技術(shù)[4-8]。

綜上所述，本文針對車用鋼-鋁板材連接工藝及仿真分析展開深入研究，對于不同材料組合的多種連接工藝的接頭性能進行了精準(zhǔn)化力學(xué)性能測試及仿真分析，通過部件動態(tài)沖擊試驗和基于Ls-Dyna有限元分析軟件的仿真分析，驗證了所開發(fā)接頭仿真分析卡片的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果以及接頭卡片開發(fā)方案對整車輕量化研發(fā)以及碰撞安全仿真結(jié)果精度的提升具有重要參考意義。

2 母材動態(tài)力學(xué)性能表征

材料參數(shù)設(shè)置對汽車碰撞分析結(jié)果有著重要影響。材料參數(shù)設(shè)置越接近實際材料的真實特性，仿真結(jié)果準(zhǔn)確性越高。為獲得鋼-鋁接頭母材在高速碰撞工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)整車碰撞工況一般所涉及到的應(yīng)變率為0.001～500/s，結(jié)合GB/T 30069.2—2016《金屬材料 高應(yīng)變速率拉伸試驗 第2部分：液壓伺服型與其他類型試驗系統(tǒng)》、GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》及大型動態(tài)材料試驗機ZWICK/ROLLE HTM16020的相應(yīng)規(guī)定和要求，并考慮車身結(jié)構(gòu)用材情況，設(shè)計了測試矩陣，見表1。

表1 母材力學(xué)性能測試矩陣

按照表1所示試驗矩陣，對三種典型鋼-鋁接頭母材進行室溫下的動態(tài)力學(xué)性能測試，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣尺寸

為了獲得能夠應(yīng)用于仿真分析的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，截取材料從屈服點處到抗拉點處的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并使用Swift- Hockett-Sherby本構(gòu)方程對同種材料的多個應(yīng)變率曲線進行統(tǒng)一擬合外推到1的應(yīng) 變[9，10]，最終獲得伸長率為100%的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線組，擬合外推結(jié)果應(yīng)保證所有應(yīng)變率曲線不發(fā)生交叉。

Swift- Hockett-Sherby本構(gòu)方程為

式中σT——真實應(yīng)力（MPa）；

εpl——塑性應(yīng)變；

C、α、εD、m、σsat、σi、a、p——待標(biāo)定系數(shù)。

為了提升材料曲線的數(shù)據(jù)精度，更好地滿足工程實際應(yīng)用，通過建立材料動態(tài)拉伸試樣仿真分析模型（見圖2），與試驗曲線進行標(biāo)定分析，對所有應(yīng)變率下的曲線組進行標(biāo)定修正。

圖2 材料高速拉伸試樣仿真分析模型

仿真過程中，輸入擬合外推后獲得的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線組，輸出力與位移曲線。通過對擬合后的曲線組進行微調(diào)，使得仿真分析輸出的力與位移曲線和試驗的力與位移曲線重合度較高，至此，輸出微調(diào)后的曲線組。仿真標(biāo)定后的母材真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線如圖3～圖5所示。

圖3 6082鋁合金真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線

圖4 6451鋁合金真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線

圖5 DP590鋼真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線

3 接頭動態(tài)力學(xué)性能測試分析

3.1 接頭動態(tài)力學(xué)性能測試

連接接頭是連接金屬板材的重要組成，車輛碰撞中隨著部件結(jié)構(gòu)的變形，連接接頭受到的并不是單一載荷的作用，而是一種復(fù)合載荷。基于載荷的接頭失效判斷，需要把單個接頭的復(fù)合受力模式分解為拉伸力、剪切力、剝離彎矩、平面扭轉(zhuǎn)等，而選用不同的試驗方法可分別獲得不同的載荷參數(shù)。因此，本文通過設(shè)計并進行搭接試驗與對接試驗，分別用于評估接頭的剪切失效強度和最大剝離彎矩。搭接與對接接頭的試樣尺寸如圖6所示。

圖6 搭接與對接接頭的試樣尺寸

結(jié)合鋼-鋁一體化混合車身的連接工藝，采用正交試驗的方法設(shè)計試驗矩陣，即選取6082和6451、6082和DP590兩種典型的材料組合，分別使用FDS、SPR和膠鉚連接工藝對板材進行連接，并通過搭接以及對接兩種試樣測量接頭強度，進行鋼-鋁異性材料連接接頭力學(xué)性能分析。為了更準(zhǔn)確地反映實際碰撞中接頭承受的破壞形式，采用大型動態(tài)材料試驗機ZWICK/ROLLE HTM16020（見圖7）進行試驗，加載速度為3m/s。每組試驗采用3個相同試件，最終接頭失效載荷取3個相同試件最大載荷的平均值。

圖7 大型動態(tài)材料試驗機

3.2 接頭動態(tài)力學(xué)性能測試結(jié)果分析

接頭力學(xué)性能測試矩陣及其失效載荷見表2，各試驗工況載荷-位移曲線如圖8所示。對比表2中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于同一牌號組合且使用相同連接工藝的接頭，其拉剪工況下的最大失效載荷要遠(yuǎn)大于剝離工況下的失效載荷，說明同一接頭的剪切強度遠(yuǎn)高于其剝離強度。

圖8 各試驗工況載荷-位移曲線

表2 接頭力學(xué)性能測試矩陣及其失效載荷

通過對比各接頭動態(tài)試驗錄像以及試驗后接頭照片可知，對于承受剝離彎矩的對接接頭，在上下層板料拉伸過程中，板料從折彎處被拉直后，鉚接接頭開始承受剝離彎矩并直到鉚釘腿部斷裂或者母材撕裂，鉚釘從母材中被拔出，上下板料分離。而對于承受拉剪載荷的搭接接頭，在拉伸過程中原來的l形試件被拉伸成L形，然后板料停止變形，鉚釘開始出現(xiàn)變形直到鉚釘腿部剪切斷裂，鉚釘腿部隨著板料一起被拔出，最終上下板料分離。6082+DP590 SPR接頭試驗前后照片對比如圖9所示。不同工況下各試驗失效載荷對比如圖10所示。

圖9 6082+ DP590 SPR接頭試驗前后照片對比

圖10 不同工況下各試驗失效載荷對比

通過對表2和圖8中的數(shù)據(jù)對比分析可知，粘膠可以提升FDS接頭和SPR接頭的最大剝離彎矩和剪切失效強度，但是對于最大剝離彎矩的影響較小，幾乎可以忽略不計；而對于剪切失效強度的提升非常顯著。通過加膠粘接，6082+6451的FDS接頭、6082+DP590的FDS接頭和SPR接頭的剪切失效強度分別提升了23.53%、33.59%和102.57%。因此，在實際工程應(yīng)用中，對于車身連接結(jié)構(gòu)中更多承受剪切破壞的連接接頭，可以考慮采用膠鉚組合的連接工藝來提升接頭剪切失效強度，從而可以進一步增加接頭強度，提升車輛碰撞時的安全性。

對比表2和圖10中試驗方案1和5、3和7、2和6以及4和8的接頭失效載荷值可以發(fā)現(xiàn)，采用相同連接工藝且相同試驗工況下，材料組合6082+6451的接頭強度都低于6082+DP590的接頭強度。這是由于母材DP590的屈服強度和抗拉強度要遠(yuǎn)高于6451的屈服強度和抗拉強度，從而導(dǎo)致在同樣搭配3.0mm 6082母材情況下，6082+6451的接頭強度較低。

圖11為通過高速攝像機捕捉的6082+6451的FDS接頭和6082+DP590的FDS接頭失效時刻的試樣照片。從圖11可看到，在剝離工況下，母材6451在接頭處撕裂導(dǎo)致6082+6451的FDS接頭發(fā)生失效，而6082+DP590接頭的失效原因是鉚釘從母材中拔出。在拉剪工況下，6082+6451和6082+DP590的FDS接頭均由于母材在接頭處發(fā)生塑性變形導(dǎo)致材料斷裂而使接頭失效，且6082+6451接頭的失效原因為6451母材斷裂，而6082+DP590接頭的失效原因為6082母材斷裂。通過圖3～圖5可得，DP590、6082和6451的屈服強度依次減小，由此可知，在拉剪工況下，強度更低的母材斷裂是FDS接頭失效的主要原因。

圖11 不同材料組合FDS接頭失效時刻試樣照片

4 鋼-鋁混合連接結(jié)構(gòu)仿真分析

4.1 連接接頭仿真標(biāo)定分析

本文以6082+DP590的FDS接頭和FDS加膠粘接頭的仿真對標(biāo)分析為例，通過標(biāo)定接頭材料卡片的相關(guān)參數(shù)，提升仿真對標(biāo)精度，得到可用于整車仿真分析的接頭材料卡片。接頭的母材采用殼單元16號積分建立模型，單元尺寸2mm；FDS接頭用實體單元建模，與母材接觸方式定義為*CONTACT_ SPOTWELD；膠粘用實體單元建模，與母材接觸方式定義為*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE。

6082+DP590接頭仿真對標(biāo)模型如圖12所示，將外延標(biāo)定后的母材曲線作為輸入條件，試樣一端固定，另一端以實際速度加載，試驗力值通過對試樣定義*database_cross_section_plane進行輸出，并在試樣上選擇相同兩點間距作為位移變化量，通過*database_history_node進行輸出，并計算得到標(biāo)定后的材料卡片數(shù)據(jù)。

圖12 6082+DP590接頭仿真對標(biāo)模型

6082+DP590接頭仿真對標(biāo)曲線如圖13所示。由圖13可看出，仿真過程與試驗過程曲線趨勢基本一致，并且仿真曲線與試驗曲線的峰值基本一致，證明了所開發(fā)接頭卡片模型具有非常高的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，對比剝離工況和拉剪工況下的試驗曲線可以看到，無論是否增加膠粘工藝，剝離工況下的力-位移曲線均較平滑，而拉剪工況下的力-位移曲線在整個拉剪過程中始終存在一定的波動量，并且仿真曲線與試驗曲線表現(xiàn)一致，說明仿真過程可以有效地模擬試驗過程。

圖13 6082+DP590接頭仿真對標(biāo)曲線

4.2 鋼-鋁混合連接結(jié)構(gòu)部件沖擊分析

本文以采用FDS加膠粘的連接工藝對6082和DP590材料部件進行連接為例，設(shè)計并加工了圖14a所示的T形部件，對根據(jù)測試參數(shù)標(biāo)定建立的接頭卡片準(zhǔn)確性進行驗證。采用質(zhì)量為23kg的半圓柱沖頭沿水平方向以6.25m/s的初始速度沖擊T形部件，試驗中采集沖頭的加速度信號。此外，建立圖14c所示的CAE仿真分析模型，并采用前文所述標(biāo)定準(zhǔn)確的母材卡片及相應(yīng)接頭卡片對T形部件動態(tài)沖擊試驗進行標(biāo)定分析。

圖14 試驗前后部件與仿真前后模型對比

如圖14所示，對動態(tài)沖擊前后試驗與仿真分析的T形部件破壞模式進行對比，可以發(fā)現(xiàn)被沖擊側(cè)的接頭失效模式基本一致，主要承受剝離彎矩。另外，試驗與仿真分析的沖頭加速度曲線如圖15所示，試驗時沖頭加速度曲線在出現(xiàn)第一個波谷后仍然出現(xiàn)了兩個峰值絕對值較小的波谷，分析原因可能是接頭個體質(zhì)量差異，導(dǎo)致多個接頭未同時徹底失效。而仿真分析中接頭卡片參數(shù)一致，在受沖擊過程中，同一位置的接頭同步失效使得沖頭只出現(xiàn)一個波谷。此外，仿真與試驗的沖頭加速度曲線吻合良好，曲線斜率與峰值基本一致，說明根據(jù)本文所述方法開發(fā)的接頭仿真卡片可以精確且有效地模擬鋼-鋁混合連接接頭的強度及破壞形式。

圖15 試驗與仿真分析的沖頭加速度曲線

5 結(jié)束語

針對車用鋼-鋁板材連接工藝及仿真分析，對于不同材料組合的多種連接工藝的接頭性能進行了精準(zhǔn)化力學(xué)性能測試，并根據(jù)試驗測試參數(shù)開發(fā)了基于Ls-Dyna軟件的不同連接形式的接頭仿真分析卡片，通過零部件動態(tài)沖擊試驗及其仿真分析驗證了所開發(fā)接頭仿真分析卡片的準(zhǔn)確性。

研究結(jié)果表明：

1）對于同一牌號組合且使用相同連接工藝的接頭，其剝離工況下的最大失效載荷要遠(yuǎn)小于拉剪工況下的失效載荷。

2）相比單純的鉚接工藝，膠鉚組合的連接工藝可以在幾乎不影響接頭剝離強度的同時顯著提升鋼-鋁、鋁-鋁連接接頭剪切失效強度，從而可以進一步增加接頭強度，提升車輛碰撞時的安全性。

3）本文開發(fā)的接頭仿真卡片可以精確且有效地模擬鋼-鋁混合連接接頭的強度及破壞形式，對整車輕量化研發(fā)以及碰撞安全仿真分析中的接頭建模有較大的參考意義。