周建君，許俊海，范青山，李曉宇

(廣汽新能源汽車(chē)有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

自沖鉚接被應(yīng)用于汽車(chē)下車(chē)體，以及汽車(chē)覆蓋件和座椅的連接中[1]。有限元仿真能夠模擬自沖鉚接的成型過(guò)程[2]。ABAQUS提供了Python語(yǔ)言接口供用戶進(jìn)行仿真的前后處理二次開(kāi)發(fā)，魯萬(wàn)彪等通過(guò)ABAQUS二次開(kāi)發(fā)建立了壓形件的成型仿真插件，簡(jiǎn)化了建模過(guò)程[3]。本文選取焊裝生產(chǎn)的實(shí)際搭接，建立仿真模型，并通過(guò)Python語(yǔ)言對(duì)自沖鉚接的前后處理模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了自沖鉚接的快速建模和結(jié)果處理的GUI插件。自沖鉚接接頭截面參數(shù)的剩余厚度是連接質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。針對(duì)生產(chǎn)中后地板和前機(jī)艙薄板搭接的剩余厚度不足的問(wèn)題，本文通過(guò)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了頭高參數(shù)和底層板厚度對(duì)接頭剩余厚度的影響規(guī)律。同時(shí)，本文的研究也為研究開(kāi)發(fā)Python在其他連接技術(shù)的模擬應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 自沖鉚接模型建立

1.1 裝配體的建立

某汽車(chē)白車(chē)身后地板分總成的備胎面板與音響支架的搭接組合為薄板鋁合金5 754/1.4mm+5 754/1.4mm，鉚接設(shè)備是TUCKER公司產(chǎn)品，鉚釘牌號(hào)為C5.3×6.0H0，鉚模為M260468。圖1是后地板薄板搭接的自沖鉚接裝配體和數(shù)值仿真模型。

圖1 后地板薄板鉚接示意圖

鉚釘及鉚模的幾何尺寸如圖2所示，單位為mm。在ABAQUS軟件中建立軸對(duì)稱(chēng)裝配體仿真模型，其中沖頭、鉚鼻和鉚模為軸對(duì)稱(chēng)解析剛體。自沖鉚釘和上下鋁板為軸對(duì)稱(chēng)變形體。

圖2 鉚釘和鉚模的幾何尺寸

1.2 鉚釘和鋁合金特性設(shè)定

金屬定義為各向同性的材料屬性。鋁合金5754的材料屬性如表1所示[5]。自沖鉚釘C5.3×6.0H0的材料為鋼材39NiCrMo3，硬度對(duì)應(yīng)280±30Hv10，性能屬性如表2所示。

表1 鋁合金5754的力學(xué)性能

表2 鋼材39NiCrMo3的力學(xué)性能

1.3 邊界條件及對(duì)象關(guān)系的設(shè)定

鉚鼻和鉚模設(shè)定為完全固定，沖頭固定兩個(gè)自由度U1=UR3=0，留下一個(gè)自由度U2，添加位移載荷，幅值為6.0mm，直線加載。沖頭和自沖鉚釘?shù)膶?duì)象關(guān)系設(shè)定為固接。許多接觸問(wèn)題如沖壓、鍛造、旋壓、切削等在模擬過(guò)程中都可以使用罰摩擦行為[6]。鉚鼻、上下板材、鉚模和鉚釘之間的接觸定義為罰函數(shù)，系數(shù)取值0.2。

1.4 網(wǎng)格劃分

上下層板采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元類(lèi)型選擇四面體，靜力學(xué)單元庫(kù)、軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力/位移單元族、線性減縮積分，即接受CAX4R單元，網(wǎng)格布置密度為0.1×0.1mm2，上層板單元數(shù)量為1 260個(gè)，下層板單元數(shù)量為1 260個(gè)。自沖鉚釘采用自由化網(wǎng)格劃分技術(shù)為四面體單元，動(dòng)力學(xué)單元庫(kù)、軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力/位移單元族、線性減縮積分，即接受CAX4R單元，網(wǎng)格布置密度為0.15×0.15mm2，自沖鉚釘?shù)膯卧獢?shù)量為412個(gè)。

2 ABAQUS二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

GUI插件程序可通過(guò)RSG(really simple GUI)Dialog Builder可視化操作得到,在GUI標(biāo)簽頁(yè)中包括布局管理工具、文字、圖標(biāo)工具、輸入框、文件選擇等。在Kernel編輯標(biāo)簽頁(yè)中包括文件打開(kāi)按鈕和函數(shù)選擇下拉列表[7]。

3 自沖鉚接仿真插件的建立

3.1 內(nèi)核程序

通過(guò)ABAQUS的宏錄制功能，在工作目錄得到abaqusMarco.py文件。使用文本編輯器PyCharm打開(kāi)并修改源代碼，得到鉚模直徑與深度、鉚釘長(zhǎng)度、板材厚度組合和頭高設(shè)置的參數(shù)化建模腳本語(yǔ)言。以定義鉚模深度和直徑為例：

#對(duì)鉚模的深度和直徑進(jìn)行參數(shù)化處理，深度：die_depth，直徑：die_diamter

s1 = mdb.models['Model-2']. ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=50.0)

g, v, d, c = s1.geometry, s1.vertices, s1.dimensions, s1.constraints

s1.sketchOptions.setValues(viewStyle=AXISYM)，s1.setPrimaryObject(option=STANDALONE)

s1.ConstructionLine(point1=(0.0, -25.0), point2=(0.0, 25.0))

s1.Line(point1=(0.0, die_depth), point2=(die_diamter/2, -2.0))…

p = mdb.models['Model-1']. Part(name='die_name', dimensionality=AXISYMMETRIC,

type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

3.2 插件界面

通過(guò)RSG構(gòu)建GUI界面，對(duì)標(biāo)簽頁(yè)中關(guān)鍵字進(jìn)行定義，使其與前文腳本的參數(shù)關(guān)鍵字相對(duì)應(yīng)。同樣取鉚模的深度和直徑為例，產(chǎn)生的源代碼如下：

#定義鉚模的深度和直徑

RsgTextField(p='VFrame_4', fieldType='Float', ncols=12, labelText='Die_diamter(mm)', keyword='die_diamter', default='')

RsgTextField(p='VFrame_4', fieldType='Float', ncols=13, labelText='Die_depth(mm)', keyword='die_depth', default='')

構(gòu)建了如圖3所示的用戶輸入?yún)?shù)界面。

圖3 用戶輸入?yún)?shù)界面

3.3 插件使用說(shuō)明

利用圖3所示的插件，在對(duì)話框中輸入模型數(shù)據(jù)庫(kù)文件cae和任務(wù)Job的名稱(chēng)，參數(shù)化定義上下層板、鉚釘長(zhǎng)度、鉚模尺寸和頭高參數(shù)。點(diǎn)擊“OK”自動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝配體生產(chǎn)、部件分割、接觸與耦合定義、工作步建立、場(chǎng)變量添加、歷史變量添加、材料性能定義和任務(wù)運(yùn)算提交等操作，再導(dǎo)出最后一個(gè)增量時(shí)的應(yīng)力云圖并命名圖片名稱(chēng)。

4 自沖鉚接仿真插件在薄板搭接中的應(yīng)用

4.1 剩余厚度的頭高參數(shù)影響研究

為了找到后地板中備胎面板和音響支架的合適連接工藝參數(shù)，進(jìn)行了兩種頭高參數(shù)的鉚接仿真和鉚接試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)的金相截面如圖4所示。取剩余厚度為目標(biāo)結(jié)果，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

圖4 仿真與試驗(yàn)的金相截面

表3 仿真與試驗(yàn)的剩余厚度測(cè)量值(頭高)

由表3可得出結(jié)論：1)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差<10%，即仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性和可信度；2)增加頭高參數(shù)值能夠提高鉚接剩余厚度。

4.2 剩余厚度的底層板厚度影響研究

前機(jī)艙分總成結(jié)構(gòu)中前縱梁和減震塔的連接處搭接組是5 754/1.4mm +5 754/1.4mm或2.0mm，鉚釘C5.3×6.0H0，鉚模M260468，頭高0.0mm，如圖5所示。進(jìn)行了兩種狀態(tài)下的鉚接仿真和試驗(yàn)。仿真與試驗(yàn)的金相截面如圖6所示。取剩余厚度為目標(biāo)結(jié)果，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

圖5 前機(jī)艙薄板搭接示意圖

圖6 底板厚度為2mm時(shí)試驗(yàn)與仿真的金相截面

表4 仿真與試驗(yàn)的剩余厚度測(cè)量值(底板)

由表4可得，增加底層板即鉚模側(cè)的材料厚度，能夠明顯地提高剩余厚度。在同步工程時(shí)提出設(shè)計(jì)變更，建議該處連接的減震塔鋁材厚度設(shè)計(jì)變更為2.0mm。

5 結(jié)語(yǔ)

1)基于自沖鉚接實(shí)際應(yīng)用案例，建立ABAQUS仿真模型。利用Python語(yǔ)言和RSG功能進(jìn)行ABAQUS軟件二次開(kāi)發(fā)，得到自沖鉚接仿真插件，提高了前后處理的效率。

2)針對(duì)薄板搭接的剩余厚度較小問(wèn)題，分別對(duì)頭高0.0mm和0.15mm兩種狀態(tài)以及底板厚度1.4mm和2.0mm兩種狀態(tài)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，并得到了提高頭高參數(shù)和底層板厚度都能夠提高鉚接接頭剩余厚度的結(jié)論。