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自冲铆接头界面滑移特性及疲劳可靠性分析

作　者: 邓成江
导　师: 何晓聪
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 自冲铆接微动滑移异质材料力学性能疲劳可靠性
分类号: TG938
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在汽车工业里,汽车整车重量直接影响汽车的燃油消耗和尾气排放,因此汽车轻量化成为提高汽车燃油经济性和排放标准的重要手段。而汽车轻量化的重要途径就是在车身结构设计中大量使用轻合金、复合材料等新轻型薄板材料代替高强度钢板。自冲铆接是一种新型冷压嵌铆连接方法,由于许多可替代材料焊接性能差,甚至无法焊接,使其成为汽车工业中取代传统电阻点焊连接最有潜力的连接技术。但是,由于该连接技术在最近几年才开始用于车身结构制造中,与电阻点焊几十年的应用实践相比,还缺乏相应的理论支撑和实践经验。本文以5052铝合金和H62铜合金(铝-铜)异质材料组合自冲铆接头为研究对象,通过试验和有限元模拟相结合的办法,研究自冲铆接头的界面滑移特性、力学性能和疲劳可靠特性。具体研究内容如下：(1)设计了双半剖自冲铆接头试样,搭建了自冲铆接头微动滑移显微测量平台,并进行拉伸剪切试验和数值模拟。结果表明：自冲铆接头机械内锁接触区域存在微动滑移,这种微动滑移加剧了接头的失效；拉伸剪切状态下的试验结果和数值模拟结果吻合较好,且最大应力分布在铆钉脚底部与下板接触位置以及铆钉与下板内锁位置处。双半剖模型可定性地描述自冲铆接头的微动滑移特性,并可作为接头机械内锁区域滑移错动量的检测模型。(2)针对铝-铜异质材料组合搭接自冲铆接头特征,分别测试了两种合金材料的工程应力-应变特性,并对拉伸剪切试样和剥离试样进行静态力学性能测试,试验结果表明：SPR接头抗拉伸剪切强度高于抗剥离强度,铝-铜合金搭接时应采用Cu-Al形式；板材厚度、材质及铆钉长度影响接头静载强度,上板材质对接头强度影响更大；板材厚度影响失效位移,静载失效形式皆为铆钉与下板分离；刚度随接头载荷而变化,且与接头失效机理有关。(3)在静态力学性能测试基础上,对铝-铜合金异质材料组合自冲铆接头进行疲劳性能测试,获得了表征接头疲劳性能的载荷-寿命(S-N)曲线。对疲劳失效形式、失效机理、刚度对接头疲劳性能影响的分析结果表明：疲劳强度主要受板材厚度、上下板材质、铆钉、接头接触界面微动滑移的影响。下板对接头疲劳强度和寿命的影响几乎成线性关系,上板材质对接头疲劳性能的影响高于下板。对于疲劳失效形式：同种材料搭接时自冲铆接头疲劳失效主要为下板断裂,异质材料板材搭接时,材质较软的板材易产生疲劳裂纹而失效。接头失效机理受板材材质、厚度、轧制方向、微动滑移、工况条件、接头弯曲效应、铆接过程残余应力等因素影响。采用异质材料组合导致自冲铆接头刚度特性不同,随接头刚度增加疲劳性能逐渐增强。(4)在2.0mm5052铝合金自冲铆接头疲劳测试基础上,就其主要失效形式,计算了其疲劳失效等效截面积。利用常规最小二乘回归分析方法构建了自冲铆中等寿命区的S-N疲劳特性方程,进而求解了95%置信度下不同可靠度P的自冲铆P-S-N概率疲劳特性方程和线性拟合相关系数。根据相应的P-S-N曲线,可分析自冲铆接头的疲劳可靠特性和求解不同可靠度下自冲铆接头的最低疲劳极限。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-23
  1.1 课题研究背景及意义  13-14
    1.1.1 课题研究背景  13-14
    1.1.2 课题研究意义  14
  1.2 自冲铆连接技术工艺及特点  14-18
    1.2.1 自冲铆接过程原理及工艺  14-15
    1.2.2 自冲铆连接技术特点  15-17
    1.2.3 自冲铆连接设备  17-18
  1.3 自冲铆连接研究动态及现状  18-20
    1.3.1 国外研究动态及现状  18-19
    1.3.2 国内研究动态及现状  19-20
  1.4 本文研究目的与主要内容  20-21
  1.5 本章小结  21-23
第二章自冲铆接头拉伸剪切微动滑移特性分析  23-31
  2.1 自冲铆接头微动滑移定义  23
  2.2 试样准备  23-24
  2.3 静强度分析  24-25
  2.4 自冲铆接头拉伸剪切试验  25-28
    2.4.1 试验平台  25-26
    2.4.2 拉伸剪切试验及数值模拟  26-28
  2.5 内锁区域滑移错动量分析  28-29
  2.6 本章小结  29-31
第三章铝-铜异质板材自冲铆接头静强度试验  31-47
  3.1 试样制备  31-32
  3.2 自冲铆接头质量检测  32-34
  3.3 材料性能测试  34
  3.4 静强度试验  34-38
  3.5 刚度对自冲铆接头强度影响  38-39
  3.6 失效机理分析  39-45
    3.6.1 拉伸剪切失效  39-42
    3.6.2 剥离失效  42-45
  3.7 本章小结  45-47
第四章铝-铜异质板材自冲接头疲劳性能研究  47-63
  4.1 引言  47
  4.2 试验准备  47-48
  4.3 疲劳试验  48-49
  4.4 疲劳试验结果及讨论  49-59
    4.4.1 疲劳试验结果统计  49-52
    4.4.2 试验结果分析  52-55
    4.4.3 疲劳失效形式  55-56
    4.4.4 疲劳失效机理分析  56-59
  4.5 刚度对自冲铆接头疲劳性能影响  59-60
  4.6 本章小结  60-63
第五章给定置信度下自冲铆接头疲劳可靠性分析  63-73
  5.1 可靠性基本概念  63-65
    5.1.1 可靠性定义及重要性  63
    5.1.2 可靠性设计内容  63-64
    5.1.3 可靠性衡量特征量  64
    5.1.4 可靠性设计常用分布函数  64-65
    5.1.5 疲劳强度的可靠性设计方法  65
  5.2 自冲铆接头疲劳可靠性试验  65-66
    5.2.1 疲劳试验  65-66
    5.2.2 自冲铆接头疲劳失效等效截面积  66
  5.3 疲劳试验结果分析  66-71
    5.3.1 疲劳寿命数据分析  66-67
    5.3.2 自冲铆S-N疲劳特性方程  67-69
    5.3.3 自冲铆P-S-N疲劳可靠特性曲线  69-71
  5.4 自冲铆最低疲劳极限  71-72
  5.5 本章小结  72-73
第六章结论与展望  73-75
  6.1 结论  73-74
  6.2 展望  74-75
致谢  75-77
参考文献  77-83
附录攻读学位期间发表的学术论文  83

自冲铆接头界面滑移特性及疲劳可靠性分析

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