混合模式下自冲铆接铝接头的疲劳寿命估算【中文7490字】
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【中文7490字】混合模式下自冲铆接铝接头的疲劳寿命估算DUKHOCHOI，DONGWOONHANA，HOKYUNGKIM关键词SPR接头疲劳寿命十字形标本混合模式等效应力强度因子摘要使用具有铝合金（AL5052）板的十字形样本进行疲劳测试。在0，45和90不同的加载角度情况下实现了混合模式加载。以评估混合模式载荷下自冲铆接（SPR）接头的疲劳强度。基于106次循环的寿命，相应于疲劳极限的载荷振幅分别为0，45和90载荷角的单调强度的37，18和19。等效应力强度因子可以适当地预测SPR接头的实验疲劳寿命长于105次循环。1简介最近，汽车工业一直在积极努力使他们的汽车更轻，以提高其产品的燃油效率。作为减少汽车重量的手段，经常使用具有优异机械性能的轻质材料，包括铝和镁合金，高强度钢，碳纤维增强复合材料和工程塑料。此外，对于这些轻质材料的应用，最近有许多研究使用这些材料的各种连接方法1。通常，点焊广泛用作车辆的接合方法。但是，由于其熔化温度和晶体微观结构的巨大差异，难以将点焊应用于由不同类型的材料组成的接头，例如铝和钢之间的接头。此外，当将复合材料或塑料与钢板接合时，由于复合材料和塑料的不导电性，不能施加点焊（一种电阻焊接）。因此，对于可用于各种材料的连接技术或对不易点焊的连接技术有很高的要求。作为这种技术之一，自冲铆接（SPR）方法正受到广泛关注。图1中示意性地示出了SPR接合过程。在SPR接合过程中，在冲压力下将铆钉压入上片中。穿过上部片材的铆钉根据片材下部上的模具的形状被分开以接合上部片材和下部片材。由于该工艺比传统的基于铆钉的连接方法更简单，因此生产率得到提高。此外，由于是在没有热处理的情况下在冷态下进行的接合方法，所以不会损坏片材的涂装或涂覆。图1自冲铆接过程示意图。过去十年来，关于SPR接头疲劳行为的研究结果212已有几篇。HUANG等人2研究了铝和钢板的疲劳和微动。他们报告说，由于铝薄板中微动磨损导致的裂纹萌生是主要的失效模式，并且裂纹萌生寿命比裂纹扩展寿命短得多。CHUNG和KIM3研究了铝和钢板搭接剪切试样中SPR接头的疲劳性。他们报告说，由于微动磨损，在铝板上出现裂纹，而铝板与钢板相比强度相对较低，而含铝和钢板的SPR接头的疲劳强度可以简单地由较低的铝片。LI等人4使用拉伸剪切和剥离拉伸试样研究了疲劳对SPR接头刚度和剩余静态强度的影响。他们报道由于上层和下层之间的摩擦力增加，疲劳会增加拉伸剪切试样的剩余静态强度。KANG和KIM5评估了不同样本结构的AL5052SPR接头。他们报道，疲劳耐力极限与静态强度的比值分别为教练式剥离，交叉拉伸和拉伸剪切几何分别为11，14和34。他们使用等效应力强度因子范围定量地预测了这些试样寿命。SKORUPA等人6研究了重叠区域中摩擦对通过薄聚四氟乙烯翼片的搭接接头的疲劳行为的影响，以便使板之间的摩擦最小化。他们认为，由于摩擦载荷传递的总体有害影响，没有TEFLON夹层的铆接试样的疲劳寿命低于具有夹层的试样。SU等人7研究了铝板张力剪切试样中SPR和搭接接头的疲劳行为。他们报告说，疲劳裂纹从上表面弯曲的界面开始，然后长入这些关节的上表面。他们还表明，使用结构应力解决方案可以估计这些接头的实验疲劳寿命。FU和MALLICK利用拉伸剪切试样几何形状研究了AL6111T4铝合金中SPR的疲劳性8。他们观察到铆钉设定压力影响静态失效载荷，但不影响疲劳强度。他们还报告说疲劳预循环达到疲劳寿命的75会使接头强度逐渐降低，但超过90的疲劳寿命时，接头强度会突然下降。孙等人。研究了SPR连接相似和不相似板材的疲劳性能，采用拉伸剪切和交叉拉伸试样几何形状9。他们还研究了材料等级，材料厚度，穿孔方向以及结构粘合剂对试件疲劳行为的影响。他们报道，对于相同的材料组合，SPR接头对电阻点焊接头具有优异的疲劳强度，并且结构粘合剂的应用显着提高了接头样品的疲劳强度。然而，大多数已发表的有关SPR接头疲劳性能的研究都集中在传统形状试样的疲劳强度和寿命上，如拉伸剪切212，交叉张力5或车皮剥离4,5,9,11,12标本。在不同负载模式下对SPR试样疲劳强度的评估仍然不足。在大多数情况下，当评估SPR接头的疲劳强度时，载荷振幅被用作参数。但是，在载荷幅度的情况下，当测试样品具有不同的形状和尺寸时，精确的比较是困难的。即使对于相同的铆钉直径，板材和板厚度，根据载荷振幅的疲劳强度也因样本类型而异。为了解决这个问题，有必要开发一个统一的参数，可以用来评估SPR接头的疲劳强度水平，而不管测试样品的尺寸和/或形状如何。在这项研究中，只有一个十字形试样将被用于SPR接头，以测量各种载荷条件下的疲劳强度，同时改变加载角度。为此，使用由AL5052钢板制成的十字形试样，通过在0，45和90载荷角下的静态和疲劳试验，评估试样的单调性和疲劳强度，混合模式负载夹具。此外，商业有限元法（FEM）程序ABAQUS被用来对各个负载角进行结构分析。同时，使用最大主应力，冯米塞斯应力和等效应力强度因子作为参数，以关联每个负载角处的样本的疲劳寿命。2测试标本和测试方法21SPR测试样本在对点接头疲劳强度的实验研究中，疲劳强度试验通常在拉伸剪切，交叉张力，车皮，U形13和H形试样14上进行。为了生产具有低延展性的材料的U形和H形样品，很难弯曲试样。例如，为了生产教练皮样品，有必要将试样弯曲成“L”形。但是，在弯曲过程中，甚至在弯曲区域的最终疲劳断裂之前的疲劳试验中，弯曲区域都有可能出现裂纹。因此，为了避免试样在制备样品时受到弯曲过程的影响，我们设计了一个十字形SPR接头样品，类似于用于点焊的交叉拉伸样品，如图2所示。该样品提出了在混合模式加载条件下，随着加载角度的变化来评估SPR接头的疲劳强度。这种SPR试样可应用于不能弯曲的材料，如复合材料和低延展性的各种合金。图2十字形SPR标本的几何形状和尺寸。在这项研究中，AL5052H32被用作SPR接头的材料。对于铆钉，使用HENROB有限公司的C50541型。这种类型由具有铝表面处理（ALMAC）的中碳钢（035重量）组成。铆钉杆的直径和长度均为53毫米。根据某些尺寸，例如板的厚度，铆钉的直径，所使用的模具的形状以及铆接过程中的冲压力，SPR接头的接合强度会有很大差异。在这项研究中，使用厚度为15MM的上部和下部片材。所有用于疲劳试验的SPR试样通过参考早期研究5的结果准备冲击力为21KN，该试验确定了基于使用具有相同合金薄片的拉伸剪切试样的最佳冲压力和厚度与本研究中使用的厚度相同。为了评估SPR接头有限元分析的力学性能，通过生产拉伸试样进行拉伸试验。所用材料的机械性能总结在表1中。表格1AL5052H32材料的机械性能22混合模式测试夹具如图1和2所示，设计了混合模式测试夹具。在图3和4中，使用十字形测试样品在负载角为0，45和90的情况下进行疲劳测试。当载荷角为0时，与点焊时拉伸试样的载荷相似。当负载角为90时，与点焊中的交叉拉力试样非常相似。图3在混合模式测试夹具的SPR接头处的一般施加载荷下的分量P和Q图4SPR接头的加载角度。23测试方法为了评估SPR接头的静态强度和疲劳强度，使用了液压万能试验机（INSTRON8516），如图5所示。疲劳试验是通过将正弦波形的重复载荷与在25HZ的频率范围内的应力比（RPMIN/PMAX）为01。图5用于混合模式载荷条件下SPR接头疲劳强度评估的疲劳测试夹具。24结构分析建模SPR接合试样由SPR接合时的上片，下片，铆钉以及与上片分离并剪切的片构成。对于结构分析，应用了三维有限元模型。应用通过测量SPR接头的横截面上的铆钉确定的横截面图像的比例值。在此基础上，对接头部分进行建模，如图6所示。最后，参照图7，完成了对应于十字形样品中心部分的SPR接头的三维模型。在进行有限元分析时，使用非线性运动硬化弹塑性材料模型来表示AL5052H32板材的应力应变行为。在恒定十字头速度5MM/MIN下的真实和工程应力应变曲线如图8所示。弹性模量E和泊松比M分别测量为72GPA和03。然而，对于钢铆钉模型，采用线性弹性材料关系，其中E210GPA和M030。图6SPR接头的三维有限元模型的横截面。图7SPR接头试样的三维有限元模型。图8AL5052H32板材的拉伸应力应变曲线。在这项研究中，HYPERMESH被用作预处理器和后处理器，而ABAQUS被用作求解器。为了进行建模，应用了C3D6和C3D8（它们是SOLID元素），并确定了每个负载角（0，45和90）的边界条件。节点和节点的数量交叉样本模型分别为52,840和43,904。铆钉和片材之间的摩擦系数设定为02，并且片材之间的摩擦系数设定为015。将负荷施加到下片上，并且在固定上片的情况下进行分析。3实验结果和讨论31SRR接头的静态强度图9显示了静态强度和静态强度测试的结果，其中0，45和90的载荷角作用于十字形SPR试样。0，45和90负载角的最大负载分别为3571N，1850N，1503N。另外，观察到在达到最高点后，发生上层和下层之间的分离。随着载荷角从0增加到45和90，强度分别下降了48和58。随着载荷角的增加，强度很可能受到样品两端荷载引起的SPR铆钉弯曲力矩的很大影响。当负载角度为0时，强度处于最高点。与点焊接接头一样，SPR接头易于承受平行于SPR铆钉杆轴向的载荷。图9不同加载角度下SPR试样的静载荷与位移曲线的比较。32SPR接头的疲劳寿命对负载角度0，45和90进行十字形试样的疲劳试验，同时改变负载振幅。疲劳破坏的发生被确定为在铆接区域周围观察到约5MM的裂纹的时间点。表2总结了疲劳寿命。图10显示了负载角度0，45和90时负载幅度（PAMP）与疲劳寿命之间的关系。表2总结疲劳测试结果载荷振幅和周期数（NF）之间的关系为PAMP19974N0029负载角为0，PAMP27911N0152载荷角为45，PAMP10229N0093的情况下，在负载角为90的情况下进行测试。负载幅度对应于基于106个循环寿命的疲劳极限，对于0，45和90的负载角，为1338N，342N和283N，RESPECTIVELY。该疲劳极限对应0负载角的静态强度（P3571N）的37。当负载角为45时，疲劳极限约为静态强度的18（P1850N），当负载角为90时，负载振幅（疲劳极限）接近静态强度的19（P1503N）。根据AL5052合金作为上板和冷轧钢板作为下板的SPR接头的疲劳试验结果3,15，对应于106次循环的疲劳强度的拉伸剪切和交叉拉伸试样分别为试样静态强度的35和14。这些值接近目前37的结果相应的0和90的装载角度为19。图10负载振幅与不同加载角度下SPR接头的失效循环次数的比较。33SPR接头结构分析结果结构分析是在十字形样品的0，45和90的负载角度下进行的。图11显示了在负载角为0时施加与106次循环的疲劳寿命相对应的最大负载（PMAX）时的最大VONMISES应力分布。如图11（A）所示，在0的负载角下最大应力为279MPA。该最大应力超过本研究中使用的材料的屈服强度（1618MPA）和抗拉强度（2155MPA）。这意味着在铆接步骤中由于冷加工硬化导致接头的强度增加。在SPR过程中，预计在穿孔周围产生压缩的周向残余应力。这种情况类似于航空工业中用于产生压缩残余应力的冷作技术。在这种技术中，通过心轴16在孔表面施加压力，在铆钉孔周围产生压缩周向残余应力。对于SPR接头而言，由于冷扩张而导致的穿孔表面施加的压力增加了孔周围的材料，导致穿孔周围的压缩残余物分布17。最后，预计残余应力有助于减缓SPR接头的裂纹起始和增长。但是，在这项研究中，在有限元分析中没有考虑压缩残余应力。因此，如图11所示，SPR接头周围的最大应力值预计会低于疲劳试验过程中实际接头的应力值。最大值的位置是铆钉和上片接触的点，随着负载角的增加，位置向铆钉头移动。90角处的最大值的位置是铆钉头和上表面之间的接触点。同时，如图11（B）和（C）所示，在45和90的负载角下，最大应力水平分别为251MPA和799MPA。已经证实，随着载荷角增加，对应于106个循环的疲劳寿命的载荷振幅处的最大应力值减小。34疲劳失效模式在单调测试中，在铆钉附近发生大的塑性变形时，将铆钉拉出下片。然而，如图12所示，所有疲劳试验的试样主要由于上层板的裂纹扩展而疲劳。图12（A）（C）显示了试样在加载角度下的疲劳断裂模式分别为0，45和90。根据结构分析，最大应力的位置是铆钉和上表面接触的位置随着负载角度的增加，它倾向于朝铆钉头移动。如图12（A）所示，0处PAMP1440N的样品表现出眉毛失败模式。对于这个试样，疲劳裂纹通常在上片的接合表面上开始，稍微远离铆钉柄。然后通过垂直于加载方向的上部片材厚度传播。然而，对于PAMP500N的45试样，如图12（B）所示，疲劳裂纹通常在靠近铆钉杆的上部片材的接合表面上开始。最后，这个试样显示出一个主要的裂纹，它将铆钉头中心的上部片材推进。如图12（C）所示，对于在PAMP380N时90的试样，失效模式类似于45试样的失效模式。35SPR接头疲劳寿命评估参数为了根据试样在0，45和90载荷角下的有限元分析结果评估SPR接头的多轴疲劳寿命，最大主应力和VONMISES应力被用作参数。如图1和2所示。13和14，最大主应力和VONMISES应力被提出用于点焊试验14。通过改变加载方向，可以通过同一个样本来调查点焊处的加载条件。样本的等效应力强度因子如下14这里，B是试样宽度（30MM），H是加载角度，N是校正系数，D是熔核直径（53MM），T是试样厚度（15MM）F是总施加力。校正系数N被确定为128，考虑到克莱斯勒试样的偏心率EBB2。在本研究中，当加载角H为0时，与拉伸剪切试样的几何形状相似，等效应力强度因子KEQ是基于公式（1）。另一方面，加载角H为90时的应力强度因子与横向拉伸试样的几何尺寸相似，也可以根据方程式确定。（1）。当角度为45时，如图3所示，施加在试件上的载荷F由轴向载荷P和通过点焊的剪切载荷Q组成。负载P和负载Q分别为PFSIN45O0707F和QFCOS45O0707F。因此，45的应力强度因子可以通过应用以下原则表示如下在这些方程中，K0和K90分别是在0和90度加载角度下的等效应力强度因子。图15显示了通过施加等效应力强度因子确定的在0，45和90的负载角下的十字形测试样品的疲劳寿命结果。尽管当负载幅度较高时相关性较低，但对于低负载幅度值观察到较高的相关性。当负载振幅较高且产生裂纹时，SPR接头的应力状态变为非线性。应力强度因子是基于线弹性的断裂力学参数。因此，如图15所示，当负载幅度较高时，相关性较低。等效应力强度因子幅值与周期数NF之间的关系为。EQKEQK085614FN图11106个周期的SPR接头的最大VONMISES应力分布（A）在H0时，PAPPL。3085N，（B）在H45时，PAPPL760N，和（C）在H90时，PAPPL629N图12在（A）H0，（B）H45和（C）H90时的疲劳断裂试样。图13作为最大主应力的函数的疲劳寿命。图14作为VONMISES应力的函数的疲劳寿命。图15疲劳寿命与等效应力强度因子振幅的函数关系。图16在相同的AL5052SPR接头上使用混合模式加载装置和不同样品几何形状的疲劳寿命比较5。有必要确认现行的混合模式加载装置设计合理，且不同加载角度下等效应力强度因子的相关方程是正确的。最近，研究人员检查了使用相同铝合金和铆钉但具有不同样本结构的SPR接头的疲劳寿命，例如，拉伸剪切，车皮，交叉张力标本的几何形状5。因此，我们尝试检查混合模式夹具当前的疲劳数据是否与具有不同样本配置的数据一致。图16显示了在相同的SPR关节上比较这两组数据的结果。这两个数据组之间有很好的相关性，如图16所示。因此，使用应力强度因子作为参数适合评估疲劳寿命。图17显示了基于图15估算的疲劳寿命与从实际测试结果获得的寿命之间的相关性。为了绘制该图，如先前所提到的，低于105个周期的低周疲劳状态数据被排除，因为应力强度因子基于线性弹性并且疲劳断裂行为不同于高周疲劳状态。如图17所示，使用混合模式加载夹具，高于105个循环的SPR接头的高循环疲劳寿命通常可以通过等效应力强度因子充分预测两倍。然而，由于SPR接头的疲劳断裂行为不同，因此应力强度因子在非弹性断裂过程中具有固有的有限适用性，所以使用等效应力强度因子不能充分预测低于约105个周期的疲劳寿命。最后，可以得出结论，充分计算了当前混合模夹具的SPR接头的等效应力强度因子。此外，该混合模式加载夹具通过采用等效应力强度因子，可用于评估脆性材料片材的SPR接头的高循环疲劳寿命，而不需要在各种加载条件下对片材进行弯曲加工。图17使用等效应力强度因子幅度与SPR接头的实验疲劳寿命的估计疲劳寿命。4结论在这项研究中，十字形标本的疲劳强度使用铝合金（AL5052H32）的SPR接头在负载角为0，45和90时进行评估。最合适的参数用于评估SPR接头的疲劳寿命。这项研究的结果如下1在0，45和90的载荷角下评估静态强度，测量并确定最大载荷分别为3571N，1850N和1503N。在达到最高点后，上部和下部片材在接合部分分离。2关于负载振幅和周期数之间的关系，结果是负载角为0，AMPP029417FN，负载角为45，对于90的负载角，。AMPP152079FNAMP093F3根据106次循环的寿命，对于0，45和90的负载角，与疲劳极限相对应的负载振幅分别为1338N，342N和283N。基于静态强度，这些值分别对应0，45和90的负载角分别为37，18和19。4当使用疲劳试验样品在0，45和90的加载角度下评估疲劳寿命时，作为参数的有效应力强度因子适用于评估疲劳寿命。有效应力强度因子负荷振幅与0085个EQK循环NF的关系为EQK085614FN参考文献1KAHP，SUORANTAR，MARTIKAINENJ，MAGNUSC加入不同材料的技术金属和聚合物。REVADVMATERSCI20143615264。2HUANGL，BONNENJ，LASECKIJ，GUOH，SUX混合金属自冲铆接的疲劳和微动磨损。INTJFATIGUE2016832309。3CHUNGCS，KIMHK。铝和钢板搭接剪切试样中自冲铆接接头的疲劳强度。FATIGUEFRACTENGMATERMATERSTRUCT201639110514。4李D，韩L，桑顿M，SHERGOLDM，威廉姆斯G疲劳对自冲铆接铝接头的刚度和剩余静态强度的影响。MATERDES20145430114。5KANGSH，KIMHK。不同样品结构下自冲铆接AL5052接头的疲劳强度评估。INTJFATIGUE2015805868。6SKORUPAM，MACHNIEWICZT，SKORUPAA，KORBEL
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