車用鋁合金焊接接頭及基本單元件的大變形力學(xué)行為研究.pdf

1、為響應(yīng)節(jié)能、環(huán)保的現(xiàn)代汽車設(shè)計要求，全鋁合金空間框架車身ASF(Aluminium Space Frame)被廣泛推廣使用。關(guān)于該類車體的碰撞安全設(shè)計，限于問題復(fù)雜性和實驗成本等因素，不可能開展大量的碰撞實驗，因此有限元計算模擬在設(shè)計環(huán)節(jié)中所占的比重越來越大。利用顯式求解器如ABAQUS/Explicit，等開展車體沖擊大變形、損傷斷裂行為研究，汽車廠商和研究院所已經(jīng)做了大量工作。但其分析結(jié)果與實驗結(jié)果往往有較大差距，就其原因不是軟件本

2、身的計算精度問題，而是涉及車體材料和焊接接頭的模型問題。具體而言為： 1)在大變形沖擊計算中缺乏精確的材料模型以及準(zhǔn)確的材料參數(shù)來描述材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)、高應(yīng)變速率和各向異性等條件下的變形、損傷和斷裂行為。 2)焊接接頭在汽車空間框架中是關(guān)鍵的連接環(huán)節(jié)。就其在車體碰撞過程中的不均勻大變形規(guī)律和斷裂機理目前仍然沒有完全認識。對不同工藝特點的焊接接頭缺乏準(zhǔn)確的力學(xué)性能把握，沒有有效的材料表征手段和正確的材料模型可用，所以對于

3、焊接接頭的處理往往過于粗糙，從而不能得到精確的分析結(jié)果。 3)在整車分析中關(guān)于焊接接頭的有限元模型較少，除點焊和粘接接頭外其它如熔焊縫焊接頭等有限元模型研究很少，尤其是適合于整車分析的簡化或替代模型仍然有很大的開發(fā)空間。 圍繞上述問題本文從以下幾方面進行了研究： 首先對兩類車用鋁合金5052H34，6063T5進行了激光、TIG和攪拌摩擦焊接。完成了車體中常用的三類焊接接頭制備。同時對接頭的金相組織和力學(xué)性能進行

4、了測定，分析了三類焊接接頭力學(xué)不均勻性的各自特點。為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。 第二部分工作是重點針對接頭基本母材5052H34進行了材料表征。采用靜態(tài)、動態(tài)光滑拉伸實驗、缺口拉伸實驗和雙缺口剪切實驗以及純剪切實驗結(jié)合斷口SEM觀察和組織金相分析，有限元模擬計算等手段詳細研究了材料的各向異性、應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變速率以及溫度等對材料流變和損傷斷裂行為的影響。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了考慮動態(tài)軟化和加工硬化耦合作用的材料連續(xù)本構(gòu)方程。并在材料損傷失效分析

5、中引入了Gurson和Johnson Cook損傷模型，測定了微觀和宏觀的損傷參量。所得材料模型可以很好地應(yīng)用于材料的有限元計算中。 第三部分工作則重點研究了焊接接頭的不均勻大變形力學(xué)行為。利用微穿刺實驗結(jié)合有限元反向迭代計算對焊接接頭中從焊縫到母材的不均勻力學(xué)性能進行了材料表征。將接頭分為10個子區(qū)域，分別給出了各自的流變曲線。利用網(wǎng)格變形攝像法，分析了焊接接頭的不均勻大變形過程，并結(jié)合有限元計算分析了焊接接頭不均勻大變形的演

6、化規(guī)律。 第四部分，研究了接頭的有限元建模。首先利用微穿刺材料表征技術(shù)建立了能準(zhǔn)確反映接頭中局部材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下不均勻變形的接頭材料模型，結(jié)合接頭幾何模型構(gòu)建了接頭的有限元細化模型。在此基礎(chǔ)上研究了焊接接頭不均勻變形的機制和影響因素。建立了焊接接頭不均勻力學(xué)區(qū)等效寬度與強度失配系數(shù)、幾何參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。利用接頭的等效寬度和等效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系形成了對接接頭的等效簡化模型，作為整車有限元分析中接頭的替代模型，為后續(xù)整車分析奠

7、定基礎(chǔ)。 第五部分，利用前文得到的材料參數(shù)和接頭模型對鋁合金空間框架車體中的基本單元件即無焊縫和帶焊縫的兩類薄壁管件進行了軸向耐撞性實驗和有限元分析。討論了結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷條件及局部材料特性對結(jié)構(gòu)變形和斷裂行為的影響，并給出了一定的優(yōu)化措施。在這一部分工作中還同時對前文所建立的接頭有限元模型進行了驗證，實驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比表明所用接頭有限元模型是準(zhǔn)確町靠的，可以反映結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷及邊界條件下不均勻變形和失效過程。 第六部