來源：仿真學習與應用

前言：鉚接工藝在汽車連接工藝中具有廣泛的應用，包括白車身、發(fā)動機罩、行李箱蓋板、天窗等等位置都可以應用鉚接工藝。鉚接工藝具有以下幾個特性：1.應力集中小，動態(tài)疲勞強度高；2.具有較好的撞擊吸能特性；3.可以鉚接帶有夾層/膠層的材料組合；4.可以實現在線鉚接質量監(jiān)控等。

尤其是在當今社會的發(fā)展形勢下，減排降耗的需求日益增加，車身輕量化設計也越來越受到關注。鉚接工藝能夠在以下幾個方面解決車身輕量化問題：1.可實現不同形態(tài)材料之間的連接工藝問題，與焊接等其他連接工藝相比，鉚接是連接有色金屬的最佳選擇。這便給車身輕量化材料的應用帶來了可能。2.解決不同形態(tài)材料之間的連接強度和安全問題，鉚接工藝充分滿足靜態(tài)強度和動態(tài)疲勞強度要求，且具有撞擊吸能特性，克服焊接不足，滿足安全方面要求；3.解決車內噪音和防水問題，允許不同形態(tài)材料之間具有涂膠，起到隔音和防水的目的。4.可連接的材料包括鋁材（鑄鋁、型材、板材），深沖壓鋼、高強鋼、鎂、銅以及非金屬材料等。

一、自穿刺鉚接設備和工藝

自穿刺鉚接設備主要包括：夾具、沖頭、自穿刺鉚釘、連接材料、底模。

自穿刺鉚接的工藝過程包括：定位、加緊、施壓、穿刺、變形、成型等6個步驟。工藝連接過程簡單快速，鉚釘在外力的作用下，通過穿透第一層材料和中間材料，并在底層材料中流動和延展，形成一個相互鑲嵌的塑性變形的鉚接連接過程，稱為自穿刺連接，具有較高的抗拉強度和抗剪強度。

圖3 SPR工藝過程

圖4 SPR在線監(jiān)控系統(tǒng)

二、設計要求

2.1 互鎖值a

為了保證連接強度、互鎖值要滿足一定的設計要求。如：鉚釘長度規(guī)格為5mm時，要求互鎖值a1、a2≥0.15 mm，鉚釘長度規(guī)格為3mm時，要求互鎖值a1、a2≥0.10 mm。

2.2 鉚釘和連接材料要求

鉚釘和連接材料不可以發(fā)生裂紋，因此需要控制鉚釘和連接材料的應力和應變值。

自穿刺鉚接在車身上的應用案例：

四、基于LSDYNA的SPR連接工藝過程仿真

4.1 有限元模型

為了提高計算效率，將SPR連接過程分析簡化為2維軸對稱模型。有限元模型包括1、沖頭；2、鉚釘；3、夾具；4、上層材料；5、下層材料；6、底模等6個部件。

有限元模型共有11721個單元、12398個節(jié)點，其中鉚釘為鋼材，連接板材料為鋁材，沖頭、夾具和底模為剛性材料。分析采用kg、mm，ms，KN、GPa單位制。

關鍵字設置：

1.通過*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_ID關鍵字，創(chuàng)建除了沖頭外所有部件的自接觸。

2.通過*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID關鍵字，創(chuàng)建沖頭與其他部件的接觸。

3.通過*SECTION_SHELL elform=15定義軸對稱單元。

4.在鉚接過程中，鉚釘會穿透上層材料，通過關鍵字*PART_ADAPTIVE_FAILURE定義上板材料在滿足最小厚度設置值0.1mm時斷裂。

5.在鉚接過程中，上下板將會發(fā)生嚴重的塑性變形，為了保證計算成功，需要使用LSDYNA的自適應網格變形技術。通過關鍵字*control_ADAPTIVE定義上下板材料網格自動重構參數。

4.2 分析結果

鉚釘應力結果：

下板材料等效塑性應變結果：

鉚接力結果：

互鎖值：

五.基于LS-DYNA和LS-OPT的多目標優(yōu)化

5.1 設計變量

針對鉚釘和底模共建立5個形狀參數變量，包括：1、鉚釘外切角；2、鉚釘內切角；3、鉚釘內半徑；4、底模內凸高度；5、底模內半徑等5個參數。見圖8。

5.2 設計響應

設計響應包括：

1、鉚釘最大應力；

2、下板材料最大等效塑性應變；

3、最大鉚接力；

4、互鎖值；

前三個設計響應可以通過常規(guī)后處理方法獲得，對于互鎖值是通過鉚釘和下板材料的特定節(jié)點間距的X分量得到。由于下板在計算過程中進行網格重構，因此單元和節(jié)點號是變化的。為了獲得互鎖值結果。需要通過python二次開發(fā)來完成，在后處理軟件中獲得互鎖值設計響應。python腳本為：

def main():
	model_id = 0
	all_resultsets = results.Resultsets(model_id)
	result = all_resultsets[-1]
	part_type = constants.PSHELL
	part1_nodes = nodes.NodesOfPart(model_id, part_type, 1)
	part6_nodes = nodes.NodesOfPart(model_id, part_type, 6)
	for n in part1_nodes:
		if nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).y < 9.7:
			if nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).x > node1_x:
				node1_x = nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).x
				node1_id = n.id
	for n in part6_nodes:
		if nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).x > 3.12 and nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).y > 7.85:
			if nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).x < node6_x:
				node6_x = nodes.CoordinatesOfNode(result, n.id).x
				node6_id = n.id
	dis = node1_x -node6_x
if __name__ == '__main__':
	main()

5.3 設計目標

多目標設置為最小化鉚釘最大應力、最小化下板最大等效塑性應變、最小化鉚接力、最大化互鎖值。

5.4 LS-OPT多目標優(yōu)化

LS-OPT優(yōu)化流程圖

設計參數設置

設計目標設置

在提取結果時，由于設計點可能會出現計算錯誤等造成的結果不正確的情況，因此需要在提取設計響應結果時判斷計算是否正確并得到了正確的結果。這里通過Python腳本來實現該功能：

import os
with open('getresults.ses.results','r') as g:
	for line in g.readlines():
		if "Max_Stress" in line:
			stress = line.split(",")[2]
		if "Max_Strain" in line:
			strain = line.split(",")[2]
g.close()
if float(stress) > 0:
	os.system("echo 'N o r m a l'")
else:
	os.system("echo 'E r r o r'")

優(yōu)化算法選擇遺傳算法，代理模型方法選擇徑向基函數法，樣本點選擇LSOPT自帶的空間填充法。其他保持默認設置。

5.5 優(yōu)化結果

相關系數矩陣圖為設計變量和設計響應直接的相關系數，有不同的顏色和數值表示。顏色從藍色到紅色變化。藍色表示負相關，紅色表示正相關。顏色越深相關系數越大。從相關系數矩陣圖結果可以看出，最大應力和底模半徑相關系數最大，為正相關；底板材料最大等效塑性應變和鉚釘內切角相關系數最大，為負相關；最大鉚接力和底模內半徑相關系數最大，為正相關；互鎖值和底模半徑相關系數最大，為負相關。

圖中鉚接力具有規(guī)律性的波動，是由于在求解過程中上下板不斷進行網格重構，引入了解的噪聲。

從3D Pareto解圖中可以得到滿足一定目標的最優(yōu)解。如其中一個優(yōu)化解為：

選擇以互鎖值最大化為主要目標的一組解，互鎖值從0.2270增大為0.2671mm，性能提升17.67%，同時鉚釘最大應力、底板最大等效塑性應變和最大鉚接力性能變化分別為0.38%、-1.08%和4.88%。

結論：

1. LS-DYNA顯式分析具有精度高，求解效率高等優(yōu)勢，適用于自穿刺鉚接工藝過程等仿真分析。

2. LS-DYNA的自適應網格變形技術可以解決自穿刺鉚接過程連接板大變形造成網格畸變無法正常求解的問題。

3. LS-OPT具有高效的優(yōu)化效率，多目標優(yōu)化針對自穿刺鉚釘和底模的參數化模型進行優(yōu)化，尋找鉚釘應力、底板材料等效塑性應變、鉚接力和互鎖值的最優(yōu)解。如為了提高互鎖值選取一組優(yōu)化解，互鎖值從0.2270增大為0.2671mm，性能提升17.67%，同時鉚釘最大應力、底板最大等效塑性應變和最大鉚接力性能變化分別為0.38%、-1.08%和4.88%。

4. 基于LS-DYNA的自穿刺鉚接多目標優(yōu)化仿真可以有效地指導自穿刺鉚接工藝優(yōu)化設計。

下載地址：ls-dyna_971_manual_k