技术领域
[0001] 本实用新型涉及连接装备性能分析技术领域，尤其涉及一种自冲铆接接头仿真模型。
相关背景技术
[0002] 传统的汽车车身制造材料主要采用钢材，随着汽车轻量化及节能减排的要求不断提升，同时伴随超高强钢、镁(铝)合金、复合材料等轻质材料的发展，在汽车制造中根据不同部件和系统的承载模式、受力情况及功能要求，混合使用多种材料成为了重要的轻量化技术手段，由于涉及到异质材料及金属‑非金属材料的连接，多采用自冲铆接作为连接工艺。自冲铆接是一种冷成形技术，在机械压力下冲头与下模具共同作用，使得被连接件和铆钉发生永久塑性变形并形成内锁结构形成连接。
[0003] 自冲铆接具有连接强度高、易于实现等优势，尤其适合多种异质材料和金属/非金属材料混合连接的情况，但是由于铆接过程涉及复杂的空间塑性变形、局部破坏及硬化和界面摩擦等问题，需要考虑应变率效应、热软化效应和基板预应变的影响，且在实际的自冲铆接应用中，往往存在数百个铆接点，这些铆接点的强度、位置、数量等的优化设计都依赖于高精度的自冲铆接模型，并且要求该模型必须是简易低计算量的，现有技术中缺少可以对铆接过程进行精确分析的仿真模型，导致自冲铆接过程缺少安全保障。实用新型内容
[0004] 本实用新型提供一种自冲铆接接头仿真模型，可以通过失效环表征铆钉在使用过程中发生损坏的区域，仿真模型可以对铆接过程中的动态变形能以及静态结合能进行测试，可以应用于大规模自冲铆接的优化设计以及损伤失效评估。
[0005] 本实用新型提供一种自冲铆接接头仿真模型，包括：仿真铆钉结构、第一连接板和第二连接板；
[0006] 第一连接板和第二连接板分别设置有四个应力节点，应力节点用于承受来自外界的空间应力，并产生动态变形能；
[0007] 仿真铆钉结构与第一连接板通过第一失效环连接，仿真铆钉结构与第二连接板通过第二失效环连接，第一失效环以及第二失效环用于表征仿真铆钉结构的损伤区域；
[0008] 仿真铆钉结构与第一连接板以及第二连接板的连接过程中产生静态结合能，静态结合能与动态变形能之间的大小关系反映仿真铆钉结构的损伤情况。
[0009] 根据本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型，仿真铆钉结构为六面体结构，仿真铆钉结构的相对的两个面分别与第一连接板以及第二连接板连接。
[0010] 根据本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型，每个应力节点承受三个方向的空间应力，三个方向的空间应力彼此垂直。
[0011] 根据本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型，还包括温度监控点，温度监控点监测仿真铆钉结构与第一连接板以及第二连接板的连接过程中的温度变化，温度变化表征铆接过程中产生的热能，静态结合能为总输入能量与热能的差值。
[0012] 根据本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型，还包括第一夹具和第二夹具，第一夹具夹持第一失效环，第二夹具夹持第二失效环；
[0013] 第一夹具对第一失效环进行应力应变试验确定第一失效环的最大变形能；
[0014] 第二夹具对第二失效环进行应力应变试验确定第二失效环的最大变形能。
[0015] 根据本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型，应力应变试验包括剪切试验、拉伸试验和剥离试验。
[0016] 本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型中，可以通过第一连接板以及第二连接板上的应力节点来承受外界的空间应力，并将该空间应力以动态变形能的形式传递到失效环区域，还可以将铆接过程中产生的静态结合能映射至失效环区域，如此一来可以对失效环区域进行进一步的分析，具体的，可以比较失效环区域的动态变形能以及静态结合能之间的大小，如果动态变形能大于静态结合能则说明仿真铆钉可能会损伤，如此可以对铆钉的损伤情况进行精确地监测，进而可以在后续应用于大规模自冲铆接的优化设计以及损伤失效评估。
具体实施方式
[0024] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0025] 图1是本实用新型实施例提供的自冲铆接接头仿真模型的结构示意图之一。
[0026] 图2是本实用新型实施例提供的自冲铆接接头仿真模型的结构示意图之二。
[0027] 如图1和图2所示，本实施例提供了一种自冲铆接接头仿真模型，包括：仿真铆钉结构、第一连接板和第二连接板；
[0028] 第一连接板和第二连接板分别设置有四个应力节点，应力节点用于承受来自外界的空间应力，并产生动态变形能；
[0029] 仿真铆钉结构与第一连接板通过第一失效环连接，仿真铆钉结构与第二连接板通过第二失效环连接，第一失效环以及第二失效环用于表征仿真铆钉结构的损伤区域；
[0030] 仿真铆钉结构与第一连接板以及第二连接板的连接过程中产生静态结合能，静态结合能与动态变形能之间的大小关系反映仿真铆钉结构的损伤情况。
[0031] 实际应用中，如图1所示，其中的U1、U2、U3以及U4可以为第一连接板的应力节点，D1、D2、D3以及D4可以为第二连接板的应力节点。
[0032] 图3是本实用新型实施例提供的自冲铆接接头的结构示意图。
[0033] 如图3所示，在实际应用中，自冲铆接主要承受空间复杂载荷，载荷通过连接板传递到铆接区域，其损伤失效模式主要是连接件与铆钉的自锁结构发生破坏而剥离，既不是连接板的断裂，也不是铆钉本身的断裂，发生的位置主要是在铆钉根部的区域，即图3中的锁止结构。
[0034] 本实施例中，通过构建如图1所示的仿真模型，并定义“失效环”表征铆钉根部的实际失效区域，当铆接结构承受空间复杂载荷时，连接板单元上的每一个节点都会承受三个方向的空间应力，即图1中的fx、fy和fz并产生相应应变，并以动态变形能的形式传递到“失效环”区域，而铆接过程产生的塑性变形能、残余应变能、界面摩擦能和部分热能均以静态结合能的形式存储于仿真铆钉结构中，并映射至“失效环”区域，通过比较动态变形能和静态结合能的大小，判断是否出现损伤失效。
[0035] 本实施例提供的自冲铆接接头仿真模型中，可以通过第一连接板以及第二连接板上的应力节点来承受外界的空间应力，并将该空间应力以动态变形能的形式传递到失效环区域，还可以将铆接过程中产生的静态结合能映射至失效环区域，如此一来可以对失效环区域进行进一步的分析，具体的，可以比较失效环区域的动态变形能以及静态结合能之间的大小，如果动态变形能大于静态结合能则说明仿真铆钉可能会损伤，如此可以对铆钉的损伤情况进行精确地监测，进而可以在后续应用于大规模自冲铆接的优化设计以及损伤失效评估。
[0036] 示例性实施例中，仿真铆钉结构为六面体结构，仿真铆钉结构的相对的两个面分别与第一连接板以及第二连接板连接。
[0037] 实际应用中，如图1所示，可以将仿真铆钉的结构抽象为六面体结构，如此可以利于后续的对仿真铆钉的受力分析。
[0038] 示例性实施例中，每个应力节点承受三个方向的空间应力，三个方向的空间应力彼此垂直。
[0039] 示例性实施例中，如图2所示，自冲铆接接头仿真模型还包括温度监控点，温度监控点监测仿真铆钉结构与第一连接板以及第二连接板的连接过程中的温度变化，温度变化表征铆接过程中产生的热能，静态结合能为总输入能量与热能的差值。
[0040] 示例性实施例中，自冲铆接接头仿真模型还包括第一夹具和第二夹具，第一夹具夹持第一失效环，第二夹具夹持第二失效环；
[0041] 第一夹具对第一失效环进行应力应变试验确定第一失效环的最大变形能；
[0042] 第二夹具对第二失效环进行应力应变试验确定第二失效环的最大变形能。
[0043] 示例性实施例中，应力应变试验包括剪切试验、拉伸试验和剥离试验。
[0044] 下面对本实用新型提供的自冲铆接接头仿真模型的建模方法进行介绍，下文描述的自冲铆接接头建模方法与上文描述的自冲铆接接头仿真模型可相互对应参照。
[0045] 图4是本实用新型实施例提供的自冲铆接接头建模方法的流程示意图之一。
[0046] 图5是本实用新型实施例提供的自冲铆接接头建模方法的流程示意图之二。
[0047] 如图4和图5所示，本实施例提供的自冲铆接接头建模方法包括：
[0048] 步骤401，基于铆钉结构以及连接件结构建立三维力学模型，连接件为铆接过程中与铆钉接触的结构，连接件结构包括第一连接件和第二连接件；
[0049] 步骤402，基于三维力学模型确定铆钉结构与连接件结构之间的等效结合能；
[0050] 步骤403，进行损伤法则模型建模，基于损伤法则模型确定铆钉结构的最大变形能；
[0051] 步骤404，基于等效结合能与最大变形能之间的大小关系，确定铆钉结构的损伤情况。
[0052] 下面以一个具体的实施例举例说明本申请的方案提供的自冲铆接接头建模方法，主要包括确定自冲铆接损伤失效准则以及构建三维力学模型。
[0053] 其中确定自冲铆接损伤失效准则主要包括：
[0054] 首先可以针对钢‑铝连接板进行铆接过程压力试验，试验可以采用自冲铆接试验机，根据每次试验获取的位移‑载荷曲线获得铆接过程的总输入能量。在铆接过程中，采用热成像相机监控铆接过程中监控点的温度变化，并据此获得铆接过程产生的热能，总输入能量与热能的差值被定义为实际的铆接结合能，其中铆接结合能可以包括铆钉与连接件的塑性变形能、由于压力产生的残余应变能和界面摩擦能。
[0055] 之后可以制作专用试验夹具，进行“失效环”破坏拉伸试验，也即应力应变试验，并确保破坏过程没有“失效环”区域以外的连接板参与，试验拟采用MTS拉伸试验机进行，根据每次试验获取的位移‑载荷曲线获得破坏过程的总能量，并与上一步获得的铆接静态结合能进行对比验证，试验过程需要多组样件。
[0056] 图6是本实用新型实施例提供的应力应变试验的示意图。
[0057] 实际应用中，如图6所示，应力应变试验可以包括剪切试验、拉伸试验和剥离试验。
[0058] 本实施例提供的自冲铆接接头建模方法以及应用的仿真模型至少具有如下有益效果：
[0059] 基于试验数据进行理论建模的简易模型，计算量非常低，且在工程上具有较强的普适性，能应用于大规模自冲铆接的优化设计及损伤失效评估；
[0060] 基于能量原理构建“失效环”模型，能够充分考虑铆接过程中出现的残余应力、加工硬化和界面摩擦等因素，对于空间复杂变形工况下的预测精度较高；
[0061] 模型及建模方法简便易操作，很容易在工程及现场实现，具有较强的工程推广价值。
[0062] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：
其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
