鋁合金壓印接頭靜力學(xué)性能及動態(tài)響應(yīng)特性研究

宋春雨，雷 蕾，金映麗，趙志強(qiáng)，石 也

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展汽車輕量化技術(shù)不斷推進(jìn),壓印連接技術(shù)憑借其加工成本低、成型效果好、接頭疲勞性能優(yōu)越的特點(diǎn)成為車身輕量化的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。壓印連接技術(shù)是一種可以連接同質(zhì)或者異質(zhì)薄板材的新型連接技術(shù),成型后在兩板之間形成一個(gè)相互咬合的鑲嵌量,連接過程不產(chǎn)生廢氣、廢料,不損傷材料,是一種綠色塑性成型加工技術(shù)[1,2]。鋁合金是汽車車身中廣泛使用的金屬,文獻(xiàn)[3-6]中通過結(jié)合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法的多標(biāo)準(zhǔn)決策方案表明鋁合金是其所研究的10種車身材料中最優(yōu)的車身材料。動態(tài)響應(yīng)特性研究可以準(zhǔn)確地測試其固有頻率以判斷接頭狀態(tài),所以研究壓印接頭的靜力學(xué)性能和動態(tài)響應(yīng)特性對實(shí)際生產(chǎn)具有重要的意義。

1 試驗(yàn)原理

壓印連接接頭在受到外界激勵時(shí),將按特定頻率進(jìn)行自然振動,這個(gè)特定的頻率被稱為壓印接頭的固有頻率,在自由狀態(tài)下接頭的自由度是最多的,可以得到所有的振型模態(tài)[7]。固有頻率取決于系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度和幾何形狀等因素。單自由度無阻尼系統(tǒng)固有頻率計(jì)算公式為:

(1)

其中:k為系統(tǒng)剛度;m為系統(tǒng)質(zhì)量。

單自由度無阻尼系統(tǒng)固有頻率ωn與單自由度有阻尼系統(tǒng)固有頻率ωα的關(guān)系是:

(2)

由公式(1)可以看出,接頭的固有頻率最主要的影響因素分別是剛度和質(zhì)量。對壓印接頭而言,服役時(shí)間長短對質(zhì)量分布影響有限,但是剛度分布會由于不同工況、不同時(shí)間、裂紋的萌生與擴(kuò)展使接頭部分產(chǎn)生損傷而變化,從而導(dǎo)致接頭固有頻率變化。

2 試驗(yàn)過程

2.1 接頭制備

單點(diǎn)搭接是實(shí)際生產(chǎn)生活中最常見的一種連接方式,本次試驗(yàn)主要對單點(diǎn)搭接進(jìn)行了研究。接頭頸部承擔(dān)拉伸剪切載荷,為了保證試驗(yàn)的一致性,試驗(yàn)試件板材都按照單點(diǎn)搭接的形式進(jìn)行了布置。試件尺寸為110 mm×20 mm×1.5 mm,裁剪時(shí)沿軋制方向,兩端放置墊片以消除扭矩影響。試件搭接方式如圖1所示。

圖1 試件搭接方式

目前,對于壓印連接接頭的質(zhì)量并沒有完善的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),通常通過接頭截面的參數(shù)——鑲嵌量TU、頸部厚度TN、底厚X來定性地分析接頭的質(zhì)量。相關(guān)學(xué)者通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)合格的接頭底厚X是上、下兩板材厚度之和的三分之一左右,所以在實(shí)際制作接頭過程中往往通過控制底厚保證接頭質(zhì)量的一致性[9]。但是實(shí)際上,真正判定接頭質(zhì)量好壞的決定性因素是TU和TN。圖2為完好的接頭沿壓印點(diǎn)子午面剖開后的接頭截面參數(shù),該接頭成型參數(shù)為:TU=0.220 3mm,TN=0.431 9 mm。觀察截面處的參數(shù)可知底部厚度為0.972 6 mm,接近于兩個(gè)板材總厚度三分之一,達(dá)到預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)。為了消除試驗(yàn)誤差帶來的影響,試驗(yàn)制備了10組接頭,分別命名為CA1～CA10。

圖2 接頭的截面參數(shù)

2.2 靜力學(xué)試驗(yàn)

2.2.1 靜力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

通過提取試驗(yàn)機(jī)上的數(shù)據(jù),使用Origin繪圖軟件繪制各接頭的載荷-位移曲線,如圖3所示。

圖3 5182鋁合金同質(zhì)接頭載荷-位移曲線

由圖3可以看出:隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,位移逐漸增加,載荷逐漸變大,曲線快速上升,接頭開始承擔(dān)拉伸剪切載荷;隨后,曲線上升趨勢減緩并慢慢達(dá)到峰值,曲線達(dá)到峰值后對應(yīng)的載荷值即為接頭可承受的最大靜載荷,其值可達(dá)1 412 N。

其中以CA9為代表的曲線與眾不同,在達(dá)到峰值載荷后先是急劇下降后又出現(xiàn)一段平緩過渡階段最后趨于零。說明在成型時(shí)金屬材料流動性較差,材料堆積在頸部使得鑲嵌量小,內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)不好,當(dāng)鑲嵌量不足以承擔(dān)受載時(shí),接頭便被從下板的一側(cè)拉出,這時(shí)的接頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,此時(shí)達(dá)到最大失效載荷,頸部承擔(dān)外部載荷能力減弱,開始發(fā)生塑性變形并有裂紋萌生;隨后載荷急速下降,裂紋在頸部擴(kuò)展,所以載荷-位移曲線出現(xiàn)一個(gè)過渡區(qū)域,直至頸部斷裂為止,所以失效模式為混合頸部斷裂,如圖4(a)所示。

圖4 接頭失效模式

對于其他接頭,最大失效載荷略高,沒有被拉脫,說明接頭成型較好,頸部厚度均勻,此時(shí)的失效模式為頸部斷裂,如圖4(b)所示。

2.2.2 斷口分析

使用高真空掃描電鏡對CA9典型混合失效的斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5(b)可以看出:1處斷口出現(xiàn)韌窩花樣,且韌窩花樣均沿著載荷施加方向被拉長,表現(xiàn)為內(nèi)凹狀,韌窩周圍顯現(xiàn)少量微孔和第二相質(zhì)點(diǎn)夾雜物,滿足韌性斷裂特征。由圖5(c)可以看出:表面平滑,可見大量撕裂棱,表現(xiàn)為河流花樣,屬于準(zhǔn)解理斷裂,是一種介于韌窩斷裂和解理斷裂之間的斷裂形式;同時(shí)河流花樣邊緣伴隨韌窩花樣,符合韌性斷裂特征,是準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的混合斷裂。所以,接頭先在1處失效,裂紋逐漸擴(kuò)展至2處后完全失效。

2.3 建模與仿真

首先將接頭的截面圖片導(dǎo)入SolidWorks中對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行同等尺寸草圖繪制,對草圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、割補(bǔ)建模。由于接頭在成型中涉及到大變形和材料的流動,因此將模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在網(wǎng)格劃分時(shí)可以將接頭進(jìn)行切割、化簡;最后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中求解。由于蘭索士法具有較高的求解精度,因此在模態(tài)分析中采用該算法,接頭求解模型及第14階振型如圖6所示。由仿真分析結(jié)果可知,前6階模態(tài)振型是剛體在X-Y平面的振動且固有頻率接近于0,表1給出了接頭前7～14階固有頻率及振型特點(diǎn)。

表1 接頭前7～14階固有頻率及振型特點(diǎn)

圖6 接頭的求解模型和第14階振型圖

2.4 搭建試驗(yàn)平臺

為探究不同服役狀態(tài)下接頭固有頻率變化趨勢,搭建動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)平臺,如圖7所示。試驗(yàn)平臺主要由激勵設(shè)備、測量設(shè)備(加速度傳感器)、分析設(shè)備構(gòu)成,采用錘擊法測量接頭固有頻率。在試驗(yàn)臺上設(shè)置兩個(gè)海綿塊用來承接試件,目的是模擬接頭處于自由狀態(tài)。當(dāng)力錘施加一個(gè)激振信號后,加速度傳感器會采集由此引發(fā)的輸出信號,數(shù)據(jù)采集儀對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,結(jié)果可以直接在筆記本電腦上顯示一條動態(tài)響應(yīng)特性曲線。曲線波峰是研究重點(diǎn),波峰所對應(yīng)橫坐標(biāo)即為某一階固有頻率,同時(shí)需要說明的是加速度傳感器只能測得Z軸方向的振動信號。

圖7 動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置

3 動態(tài)特性分析

在靜力試驗(yàn)開始前采集試件原始狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)特性曲線,如圖8所示,曲線的波峰對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為接頭的固有頻率。根據(jù)圖像可知第4個(gè)峰值較高,固有頻率變化較為顯著,可以用來表征壓印接頭的固有屬性。

圖8 試件原始狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)特性曲線

隨著接頭的服役會影響剛度分布,使剛度逐漸降低,結(jié)合公式(2)可知固有頻率在原則上會降低。通過有限元軟件分析得知第4個(gè)峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為接頭的第14階固有頻率,通過對比仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)第14階的頻率變化最敏感,固有頻率幅度最大且最具規(guī)律性。由此可見,結(jié)合動態(tài)響應(yīng)特性曲線可以用來預(yù)測接頭未來的壽命趨勢。

4 結(jié)論

本文使用5182鋁合金同質(zhì)接頭進(jìn)行靜力學(xué)試驗(yàn),結(jié)合SEM觀測其斷口微觀形貌,同時(shí)采集其原始狀態(tài)的固有頻率,得到如下結(jié)論:

(1) 5182鋁合金同質(zhì)接頭最大失效載荷可達(dá)到1 412 N,接頭的失效模式為頸部斷裂失效和部分接頭的混合失效。

(2) 有限元仿真分析有效,可以模擬分析接頭振型,對接頭的變化較為敏感的固有頻率階數(shù)判斷有指導(dǎo)作用。