自穿刺鉚釘
關注創建者：wkd1106 創建時間：2019-09-07
自穿刺鉚釘的實例教程
基于LS-DYNA的自穿刺鉚接(SPR)多目標優化分析
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控等。
尤其是在當今社會的發展形勢下，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重。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.解決不同形態材料之間的連接強度和安全問題，鉚接工藝充分滿足靜態強度和動態疲勞強度要求，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工藝過程監控
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。
展開 全新的工藝類型——機械連接
Simufact.Forming 14提供了一種全新的工藝類型模塊——機械連接應用模塊，包含：自穿刺鉚接，沖頭鉚接，盲孔鉚接和拉伸試驗。機械連接模塊帶有全新的自動化模型設計的功能（預處理），和結果的幾何參數評估功能（后處理）。膠粘劑的定位和模擬將在后續版本中得到進一步改善。
連接優化——自動分析自穿刺鉚釘和鉚接工藝
連接優化作為一個有效的解決方案，通過自動分析自穿刺鉚釘和鉚接工藝來縮短白車身的制造研發周期，同時可以為單一材料厚度組合提供技術上可行的工具鉚釘組合的清單。連接優化裝配可以幫助尋找最佳的工具鉚釘組合——以求在多車型混線生產中最大程度的減少工具和鉚釘的切換次數。這是一個與奧迪聯合開發的功能。
自動連續評估
Simufact.Forming現在支持刀具幾何參數和工裝的自動連續評估。此功能可用于自動驗證模具的設計方案和工藝穩定性檢查。
工藝鏈模擬：鑄造模擬的數據接口
新的數據接口支持ProCAST（ESI）的導入，可以順利導入鑄造仿真結果（如孔隙度和偏析）到Simufact.Forming進行后續的成形模擬（如開式模鍛）-以預測在鍛造零件內的偏析位置和殘余孔隙率。
工業4：耦合工藝模擬和工藝監控
提供與Brankamp過程監控系統的接口。通過連接工藝仿真與工藝監控，Simufact和Brankamp（屬于馬波斯集團），有助于實現工業4.0的理念。允許用戶通過設定檢測點的方式直接比較現場監測結果與仿真結果，以實現“按照仿真的結果進行生產”。
增強的材料數據庫
通過與MatCalc 的合作，Simufact增加了高質量鋁材材料庫的數據接口。這提高了Simufact.Forming模擬鋁材成形過程的能力。
展開 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在線監控系統
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：鉚釘長度規格為5mm時，要求互鎖值a1、a2≥0.15 mm，鉚釘長度規格為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，創建沖頭與其他部件的接觸。
展開 技術應用無處不在，枯燥技術也可以“張牙舞爪”（SPR自鎖鉚釘）。
SPR自穿刺鉚釘工藝技術，在當下汽車輕量化的大潮中大行其道，應用非常廣泛。作為一種通用連接技術，可以實現鋼板、鋁合金板材、鑄鋁及擠壓鋁等金屬板材間建立SPR自穿刺鉚接連接。
SPR 工藝介紹：
SPR 是一種機械連接工藝，能將兩層或更多層相同或不同材質和牌號的金屬及非金屬板進行機械連接。
SPR連接工藝的獨特性：
>>可連接相同或不同類型材料（鋼板、鋁合金板、鎂合金板、擠壓鋁合金板、鑄鋁板、非金屬板等）；
>>能用了連接兩層甚至更多層板材；
>>能實現常規工藝如焊接等無法實現的材料連接；
>>可手動實現也能自動實現；
>>采用雙面安裝方式，板材兩邊的工具可達性都有要求；
>>無需預制孔；
>>工件板材連接后不被完全刺透。這意味使用 SPR 連接具有高防水性；
>>可配合使用鉸接提高連接強度；
>>使用特定表面涂層的鉚釘可實現連接高防腐性。
連接過程工藝(見下圖)：
>>在鉚槍推動下，鉚釘刺穿頂層板（如果 2 層以上板也刺穿中間層板）
>>在底模作用下，板材和鉚釘變形，形成機械自鎖（Interlock）
本次仿真主要針對鋁合金板間建立SPR連接仿真，其他材料間雷同該仿真。
收費內容為仿真求解源文件，對成形仿真有重要參考價值，值得擁有學習。
備注細節內容（干貨滿滿，）：
1）LS-Dyna自適應網格技術；
2）二維軸對稱代替三維實體仿真模型，提升工作效率；
3）零部件失效設置，沖壓成型仿真技術再現；
4）后處理中實現三維實體全展示及其他性能查看。
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自穿刺鉚釘的最新內容
LS-OPT具有高效的優化效率，多目標優化針對自穿刺鉚釘和底模的參數化模型進行優化，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解。如為了提高互鎖值選取一組優化解，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%。
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LS-OPT具有高效的優化效率，多目標優化針對自穿刺鉚釘和底模的參數化模型進行優化，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解。如為了提高互鎖值選取一組優化解，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%。
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SPR自穿刺鉚釘工藝技術，在當下汽車輕量化的大潮中大行其道，應用非常廣泛。作為一種通用連接技術，可以實現鋼板、鋁合金板材、鑄鋁及擠壓鋁等金屬板材間建立SPR自穿刺鉚接連接。
SPR 工藝介紹：
SPR 是一種機械連接工藝，能將兩層或更多層相同或不同材質和牌號的金屬及非金屬板進行機械連接。
連接優化——自動分析自穿刺鉚釘和鉚接工藝
連接優化作為一個有效的解決方案，通過自動分析自穿刺鉚釘和鉚接工藝來縮短白車身的制造研發周期，同時可以為單一材料厚度組合提供技術上可行的工具鉚釘組合的清單。連接優化裝配可以幫助尋找最佳的工具鉚釘組合——以求在多車型混線生產中最大程度的減少工具和鉚釘的切換次數。這是一個與奧迪聯合開發的功能。
