新型钢铝连接的有限元仿真结构设计优化和静力学性能研究

（泛亚汽车技术中心有限公司,上海 201201）

摘要：介绍了一种新型汽车用钢板和铝板连接技术，该技术通过钢钉冲铆铝板以及钢钉与钢板点焊两步工艺实现了钢铝连接，称之为智能焊接（Intelligence Welding, IW）。建立了钢

钉冲铆铝板以及钢钉与钢板焊接的有限元仿真模型，通过有限元分析方法对钢钉结构尺寸进

IW

行设计优化以提升连接可靠性；同时建立了 钢铝连接接头的静态剪切有限元仿真模型，为

IW连接的正向开发和应用奠定了技术基础。通过钢钉结构尺寸优化，IW

后续 钢铝连接接头

的静力学剪切性能与自冲铆连接（Self Piece Rivet, SPR）、自攻螺纹连接（FLOW Drill Screw, FDS）

相当。

关键词：有限元仿真 静力学剪切试验 自冲铆连接 自攻螺纹连接中图分类号：T466 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190027

1 引言

在能源日益短缺和环境日益恶化的背景下，研发节能减排的汽车技术是减少能源消耗和降低环境污染的必由之路。从发展趋势上看，整车轻量化是汽车节能环保最具实施效率的措施。由于

25% ~30%，因此

车身质量一般占整车整备质量的

车身的轻量化对节能减排至关重要[1]

。铝合金等轻质金属低密度的先天优势，使得这些材料的应用逐渐成为车身轻量化的发展方向，但由于熔点和热膨胀系数等固有特性的不同，导致铝板与钢板无法通过传统点焊方式连接。为此，本文引入了一种新型汽车用钢板和铝板连接IW

技术，该连接技术通过钢钉冲铆铝板和钢钉与钢板点焊两步工艺实现了钢铝连接。本文借助钢钉冲铆铝板以及钢钉与钢板焊接的有限元模型对钢钉结构尺寸进行优化，以确保连接可靠性。同

IW

时建立了 钢铝连接接头的静态剪切有限元仿

IW

真模型，为后续 连接的正向开发和应用奠定了

技术基础。通过钢钉结构尺寸优化，IW

钢铝连接接头的静力学剪切性能与自冲铆连接、自攻螺纹连接相当。

2 钢铝IW连接方式

IW

钢铝 连接的具体实施方式如下：首先，特制钢钉通过传送机构传送至铆模中，再利用钢钉和铆模将已定位好的铝板冲孔并将冲孔废料排1所

出，最终完成钢钉嵌铆入铝板中的结构，如图示。其次，在预连接位置区域的钢板一侧涂适量

结构胶，以保证钢板和铝板之间的电化学防腐及提高连接强度（结构胶通过电泳烘房烘烤，使其固化以实现其提高连接强度的作用）；最后，通过电阻点焊机在钢钉和钢板之间完成点焊，实现铝板

2

与钢板的连接，如图 所示。

3 基于有限元仿真分析的钢钉结构优化和剪切模型建立

3.1 钢钉冲铆铝板的有限元模型建立及验证

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仿真研究的流程如图 所示。首先，根据几何

CAD

尺寸数据进行 建模，将完成的三维模型导入

Hypermesh Ls-dyna

中划分网格进行前处理，生成

关键字文件（k Ls-prepost

文件）；随后，在 里编辑

k

材料属性、边界条件等关键字信息，将此 文件导

LS- Dyna LS- Prepost

入 里进行求解计算；最后，在中进行后处理，查看接头的几何形貌和应力应变

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等计算结果。其中，图 为基于几何尺寸建立的CAD 6 Hypermesh

模型，图 为在 软件中完成划分网CAE

格的 模型。为保证计算的精确性，铝板在失效区域网格划分最细，同时为了提升计算效率，铝板两端的网格划分疏松。为仿真铝板的裂纹扩展，需要设置相应网格的失效断裂条件，即当此网格的某特征值达到指定值时，网格即被删除，两侧部件分开脱离。鉴于本模型钢钉和落料模的间隙极小，铝板形变以致断裂的过程都是纯剪切，所以采用剪切应变的大小作为失效模式的判据。剪切应变定义为平行截面间相对滑移与截面垂直距离之比，即

tan γ = bb'

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，如图 所示。

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