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超高强钢点焊接头拉剪试验数值模拟开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着我国生产力水平和居民消费水平的提高,我国的汽车保有量也开始飞速提升,然而汽车在给居民带来便捷的同时,也不可避免的带来了严重的环境污染与资源消耗的问题。近年来,随着人们环保意识的进一步加强以及能源问题的日益突出, 实现结构轻量化成为了提高汽车燃油效率的重要手段[7]。汽车轻量化即为汽车瘦身,在保证稳定提升性能的基础上,将其总成零件进行节能化设计,保持优化车型。当今的主要轻量化措施是采用轻量化材料,常见的有如镁、铝合金、高强钢、有色合金等。合金材料虽然在减重潜力上优于高强钢,但其成本会相对增加许多,因此合金材料在短时间内不可能完全代替高强钢在汽车中的应用[10]。从而,超高强钢的车身车身材料的轻量化成为了减少汽车燃油消耗、降低排放的有效途径[9]

超高强度钢是用于制造承受较高应力结构件的一类合金钢,一般屈服强度大于 1180mpa,抗拉强度大于 1380mpa[8]。由于这些超高强钢具有较高的强度、良好的韧性而在桥梁、军工、汽车、造船等行业有着广泛的应用前景。这种钢材已被证明是实现汽车轻量化的一种发展较为成熟,有着广阔的应用前景并且具有成本优势的材料,因而被应用于汽车的结构件及安全件,可进一步减轻车身重量、提高车身被动安全性以及车辆性价比。

热冲压高强钢22mnb5具有良好的成型性能、高温塑性以及较低的回弹性能。该钢材经过热冲压淬火之后,材料的抗拉性能与硬度均有极大的提升。它不仅可以实现汽车车身轻量化,还可以满足汽车碰撞安全性能。用量更少、性能更优的高强度低合金钢的应用将会成为在能源缺乏、环境污染严重和缺乏矿物资源的条件下的一项具有深远意义的战略措施[11]

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本课题首先通过文献调研,深入了解超高强钢点焊接头拉剪强度的影响因素、断裂模式和机制,然后利用ansys软件建立超高强钢点焊接头的模型,根据点焊接头性能变化分为若干区域。根据模型的对称性,通过向接头的夹持部分均匀的施加载荷,并令实验开始的熔核中心与力的作用线共线,从而对拉剪过程进行模拟。

分别确定搭接接头的几何尺寸,超高强钢的材料属性,焊接参数,关键部分的尺寸以及边界约束条件,进行网格划分,最后对模拟结果进行分析。在国内外针对点焊接头的断裂模式进行的预测和评价中,Xu曾研究了拉剪接头热影响区的几何特征,利用应力函数仿真分析了拉剪接头的失效模式。Sommer将点焊接头划分为母材区、熔核区和热影响区,通过改变熔核尺寸获得了不同拉剪接头的断裂模式。根据以上两者的结论,在ansys分析中得到不同断裂模式(界面断裂PF,部分界面断裂PPF和焊核剥离IF)下的临界熔核尺寸,可以为超高强钢点焊拉剪接头断裂模式的评价与预测提供技术参考[3,16,17]

2.2 研究目标

  1. 通过文献调研了解国内外相关研究概况和发展趋势,了解选题对社会、健康、安全、成本及环境等的影响。

  2. 完成超高强钢点焊接头拉剪断裂模式机理及影响因素的研究。

  3. 通过ansys软件完成点焊拉剪试验有限元模型的建立。

  4. 分析点焊熔核尺寸、板厚、搭接宽度等几何尺寸对点焊接头强度的影响,为工艺参数的优化提供参考。

2.3 技术方案

本文所用不同厚度的热成形硼钢(22MnB5),其各元素的质量分数为:C,0.23%;Si,0.24%;Mn,1.22%;Cr,0.18%;P,0.0015%;Ti,0.04%;B,0.0023%;Ni,0.012%;S,0.0006%。其抗拉强度高达1.5GPa,屈服强度高达1.0Gpa[3]。,熔核直径为5.7mm ,板间隙为0.1 mm ,板厚以及垫片厚度均为1.5mm选取两块105mm×45mm的22MnB5钢板制成点焊的搭接接头,其两端与夹具相配合的夹持部分的宽度为40mm。令实验开始的焊核中心和力的作用线共线,试样尺寸如图1所示:

图1:试样尺寸示意图



统一定义钢材的密度、比热和线膨胀系数,以及在室温下的泊松比、导热系数和弹性模量,最后需要定义钢在拉剪载荷下的屈服强度和切变模量。部分数据参考如表1-1所示[4]

表1-1:材料参数


弹性模量 E/GPa

切线模量Et/MPa

屈服强度ReL/MPa

抗拉强度Rm/MPa

母材

200

11097

1005

1752

焊核

200

11097

1005

1752

塑性环

200

11097

519

1257


建立模型时,可将试样分为三个区域,熔核,塑性环和母材,控制板的间隙为0.1mm,并且塑性环的网格划分应该细密一些,以提高变形的精度。在分析多因素对接头强度以及失效形式的影响时,采用控制变量的方法。根据板厚δ=1.5mm由经验公式估算对应的焊核直径约为5mm,因此改变焊核直径为4.4mm、4.6mm、4.8mm、5.0mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm分别进行试验。经过对应力云图的分析,可以得到满足结构安全性能的合适的熔核尺寸,并在此基础上研究搭接宽度的影响。

通过在ansys软件中进行模型的强度仿真分析,并与类似试验中的数据进行对比验证,可以根据应力云图中出现峰值应力的位置,确定接头在承受拉剪载荷时的最薄弱位置所在。结构失效主要由切应力所引起,通过参考文献预测部分尺寸参数对结构强度的影响,为焊接工艺参数的优化提供参考。



3. 研究计划与安排

第1-3周:通过在知网查找关键词,阅读与点焊接头和拉剪试验相关文献资料,并且通过电子图书馆找到英文文献并进行翻译。明确研究内容,确定技术方案,并完成开题报告。

第4-7周:研读《压焊方法及设备》,了解点焊接头的分类,参数和性质,建立一定的理论基础。学习ansys软件,完成点焊接头模型建立,设置参数,划分网格并进行初步分析。

第8-11周:处理分析过程中遇到的问题,对相应的程序进行修改。通过文献调研,将焊接参数、熔核尺寸、板厚和搭接宽度等设置的不合理的参数进行修改。直至分析结果与实验数据基本上相符合。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]赵熹华,冯吉才.压焊方法及设备[m].北京:机械工业出版社.2005

[2]刘思源,王朗,孔谅,王敏,吴嘉元.先进高强钢电阻点焊接头断裂模式的研究进展[j],电焊机,vol.47(4):1-7,2017.

[3]肖凤琳,张延松.超高强度钢电阻点焊拉剪接头断裂模式的模拟分析[j].上海交通大学学报,vol.52(3):312-317.,2018.

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