1.本发明属于汽车胶接接头仿真技术领域，具体涉及一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法。
背景技术：2.随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故发生率呈现上升趋势，政府和消费者对于汽车安全性能的重视程度也逐年上升。另一方面，近年来随着汽车排放和油耗法规愈发严格，汽车轻量化技术变得越来越重要，高强钢和铝合金在车身上的应用逐渐增多，结构件的强度逐渐增大，导致结构件之间发生连接接头失效的可能性越来越高。
3.在传统的汽车碰撞仿真中，结构件之间接头一般采用不会发生失效的刚性连接。但是，随着汽车轻量化程度提高、铝合金材料的大量应用，结构件之间的接头形式逐渐增加，接头失效情况逐渐增多，准确模拟接头失效行为成为碰撞仿真模型准确的前提条件。胶接作为一种理想的异种材料连接手段可以实现钢、铝、塑料及复合材料多种材料间的连接，非常适合钢铝混合车身的钣金连接。
4.现有的汽车胶接接头仿真不考虑被连接件材料特性对于胶接接头力学性能的影响，只是把粘胶作为一个单独部件进行建模，赋予其均匀的材料特性参数。实际使用过程中，被连接件的材料与厚度均影响胶接接头的力学性能，由于结构胶及被连接的钢铝钣金的线膨胀系数的差异，在胶固化及车身涂装烘烤的过程中会在胶层中引入残余应力，造成胶接接头的承载能力有不同程度的下降。随着胶接连接工艺的普及，开发出一种高准确性的接头模拟方法显得尤为重要。
技术实现要素：5.本发明的目的就在于提供一种高计算稳定性、高准确性的汽车钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真模拟方法，以解决现有汽车钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法精度低的问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，包括如下步骤：
8.a、结构胶本体力学性能试验：
9.a1、制得结构胶本体拉伸试验样件，获得结构胶固化后的弹性模量、泊松比基础力学性能参数；
10.a2、采用厚搭接剪切试样进行结构胶剪切失效试验，获得结构胶最大剪应力、剪切临界能量释放率以及剪切状态下平行段比例；
11.a3、采用厚对接试样进行结构胶拉伸失效试验，获得结构胶最大正应力与拉伸临界能量释放率；
12.b、结构胶本体力学特性试验标定：
13.b1、应用关键字结合步骤a获得的结构胶本体力学性能参数，建立结构胶的材料
卡；
14.b2、根据步骤a的剪切及拉伸断裂失效试验建立结构胶本体力学性能标定模型，其中辅助加载的厚壁件与结构胶均采用体单元建模，二者之间通过共节点连接；调整上述材料卡关键字参数直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上；
15.c、样片级胶接接头力学性能试验：
16.根据整车实际应用情况，选取对应的被连接金属板材制作胶接接头搭接及t型剥离试验试样，样片在与实车相同的固化及烘烤温度条件下进行热处理；
17.d、样片级胶接接头力学性能试验标定：
18.建立样片级胶接接头力学性能试验仿真模型，金属母材采用壳单元建模，对结构胶材料卡最大正应力，最大剪应力，临界能量释放率、剪切状态下平行段比例等失效参数进行修正，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上；
19.e、部件级试验标定：
20.开展部件级冲击试验，依据步骤d中标定完的接头模型，建立部件冲击试验仿真模型；调整结构胶材料卡关键字中相关参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上，结合仿真与试验接头失效形式，确认最终胶接接头仿真模型。
21.进一步地，步骤a1，单纯使用结构胶固化制得结构胶本体拉伸试验样件，通过多功能拉伸试验机，获得结构胶固化后的弹性模量、泊松比等基础力学性能参数。
22.进一步地，步骤a1，所述弹性模量通过以下公式计算获得：
23.e＝(δf/s_0)/(δl/l_el)
24.δf是载荷曲线直线段任意a、b两点间拉伸载荷变化量，δl是a、b两点间的轴向位移变化量，s_0是拉伸试样截面积，l_el是拉伸试验的轴向标距段长度；
25.所述泊松比通过以下公式获得：
26.μ＝(δt/l_et)/(δl/l_el)
27.δt为横向变形量，l_et为横向标距段长度。
28.进一步地，步骤a2，试验所得应变-位移曲线应变的最大值对应的应力即为结构胶的最大剪应力，曲线所包络面积即为剪切临界能量释放率，剪切平行段的位移与总失效位移的比值即为剪切状态下平行段比例。
29.进一步地，步骤a3，试验所得应变-位移曲线应变的最大值对应的应力即为结构胶的最大正应力，曲线所包络面积即为拉伸临界能量释放率。
30.进一步地，步骤b1，材料卡关键字参数包括弹性模量、泊松比、最大剪应力、剪切临界能量释放率、剪切状态下平行段比例、最大正应力以及拉伸临界能量释放率。
31.进一步地，步骤c，选取对应的被连接金属板材时要求材料牌号及厚度一致。
32.进一步地，步骤c，通过多功能拉伸试验机获得接头搭接剪切及剥离失效的力-位移曲线。
33.进一步地，步骤d，胶层采用体单元建模，胶层与母材间建立*contact_tied_nodes_to_surface接触。
34.进一步地，步骤e，试验根据部件在碰撞工况中受力特点设计，采用落锤冲击试验，带有胶接接头的部件一端固定，落锤以一定的速度冲击部件另一端，得到试验的力-位移曲线。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
36.现有的汽车胶接接头仿真技术不考虑被连接件材料特性对于胶接接头力学性能的影响，只是把粘胶作为一个单独部件进行建模，只考虑结构胶牌号的影响，对于相同牌号的结构胶形成的胶接接头认为其力学性能一致；实际使用过程中被连接件的材料与厚度及不同涂装烘烤温度均影响胶接接头的力学性能，即使是相同牌号的粘胶形成的胶接接头力学性能相差亦很大；本发明考虑被连接件不同材料与厚度及不同涂装烘烤温度对于胶接接头的力学性能的影响，与现有技术相比更加接近实际工况可以准确的模拟汽车钢铝混合车身钣金胶接连接在碰撞工况中的变形与失效行为。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为本发明整体流程架构；
39.图2为结构胶本体力学性能试验试样示意图，其中图2a为结构胶本体拉伸试验样件示意图，图2b为结构胶剪切失效试验试样示意图，图2c结构胶拉伸失效试验试样示意图；
40.图3为结构胶本体力学性能试验结果曲线示意图，其中图3a为结构胶本体拉伸试验结果曲线示意图，图3b为结构胶剪切失效试验结果曲线示意图，图3c结构胶拉伸失效试验结果曲线示意图；
41.图4结构胶本体力学性能标定结果曲线示意图，其中图4a结构胶剪切失效标定结果曲线示意图；图4b结构胶拉伸失效标定结果曲线示意图；
42.图5为样片级胶接接头力学性能试验试样示意图，其中图5a为搭接接头试样示意图，图5b为t型剥离试样示意图；
43.图6为样片级胶接接头力学性能标定结果曲线示意图，其中图6a为搭接接头标定结果曲线示意图，图6b为t型剥离试样标定结果曲线示意图；
44.图7为部件落锤冲击试验示意图；
45.图8部件落锤冲击试验标定结果示意图。
46.图中，1.为辅助加载厚壁件2.为胶层3.母材4.为冲击试验加载方向5.为带有胶接接头的部件6.为冲击固定装置7.为冲击锤。
具体实施方式
47.下面结合实施例对本发明作进一步说明：
48.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
49.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.本发明提供一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，具体地说是利用ls-dyna软件中mat*_169材料卡，结合结构胶和胶接接头的相关力学特性参数，通过关键字参数的优化实现对汽车碰撞工况中胶接接头变形失效行为的准确仿真。由于结构胶与被连接的钢铝钣金的线膨胀系数的差异，在胶固化及车身涂装烘烤的过程中会在胶层中引入残余应力，造成胶接接头的承载能力下降。
51.本发明钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，包括如下步骤：
52.第一步，结构胶本体力学性能试验：
53.单纯使用结构胶固化制得结构胶本体拉伸试验样件，通过多功能拉伸试验机，获得结构胶固化后的弹性模量、泊松比等基础力学性能参数。拉伸试验所得载荷-位移曲线如图3a所示，其中弹性模量通过以下公式计算获得：
54.e＝(δf/s_0)/(δl/l_el)
55.δf是载荷曲线直线段任意a、b两点间拉伸载荷变化量，δl是a、b两点间的轴向位移变化量，s_0是拉伸试样截面积，l_el是拉伸试验的轴向标距段长度。泊松比通过以下公式获得：
56.μ＝(δt/l_et)/(δl/l_el)
57.δt为横向变形量，l_et为横向标距段长度。
58.为获得结构胶在剪切状态下的断裂参数，采用厚搭接剪切试样进行结构胶剪切失效试验，获得结构胶最大剪应力、剪切临界能量释放率以及剪切状态下平行段比例。试验所得应变-位移曲线如图3b所示，曲线应变的最大值对应的“应力”即为结构胶的最大剪应力，曲线所包络面积即为剪切临界能量释放率，剪切平行段的位移与总失效位移的比值即为剪切状态下平行段比例。
59.为获得结构胶在拉伸状态下的断裂参数，采用厚对接试样进行结构胶拉伸失效试验，获得结构胶最大正应力与拉伸临界能量释放率。试验所得应变-位移曲线如图3c所示，曲线应变的最大值对应的“应力”即为结构胶的最大正应力，曲线所包络面积即为拉伸临界能量释放率。
60.第二步，结构胶本体力学特性试验标定：
61.应用ls-dyna软件mat*_169关键字，结合步骤一获得的结构胶本体力学性能参数，建立结构胶的ls-dyna材料卡。材料卡关键字参数包括弹性模量、泊松比、最大剪应力、剪切临界能量释放率、剪切状态下平行段比例、最大正应力以及拉伸临界能量释放率等。根据步骤一的剪切及拉伸断裂失效试验建立结构胶本体力学性能标定模型，其中辅助加载的厚壁件与结构胶均采用体单元建模，二者之间通过共节点连接。调整上述材料卡关键字参数直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上。
62.第三步，样片级胶接接头力学性能试验：
63.根据整车实际应用情况，选取对应的被连接金属板材(要求材料牌号及厚度一致)，制作胶接接头搭接及t型剥离试验试样，样片在与实车相同的固化及烘烤温度条件下进行热处理。通过多功能拉伸试验机获得接头搭接剪切及剥离失效的力-位移曲线。
64.第四步，样片级胶接接头力学性能试验标定：
65.建立样片级胶接接头力学性能试验仿真模型，金属母材采用壳单元建模，胶层采用体单元建模，胶层与母材间建立*contact_tied_nodes_to_surface接触。对结构胶材料
卡最大正应力，最大剪应力，临界能量释放率、剪切状态下平行段比例等失效参数进行修正，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上。
66.第五步，部件级试验标定：
67.开展部件级冲击试验，试验根据部件在碰撞工况中受力特点设计，可采用落锤冲击试验，如图7所示，带有胶接接头的部件一端固定，落锤以一定的速度冲击部件另一端，得到试验的力-位移曲线。依据第四步中标定完的接头模型，建立部件冲击试验仿真模型。调整结构胶材料卡关键字中相关参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上，结合仿真与试验接头失效形式，确认最终胶接接头仿真模型。
68.实施例1
69.本实施案例详细说明了汽车钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真的处理方法，包括如下几个步骤：
70.(1)、开展结构胶本体力学性能试验，主要包括三种试验：
71.单纯使用结构胶固化制得结构胶本体拉伸试验样件，如图2a所示，通过多功能拉伸试验机，获得结构胶固化后的弹性模量、泊松比等力学性能参数。拉伸试验所得载荷-位移曲线如图3a所示，其中弹性模量通过以下公式计算获得：
72.e＝(δf/s_0)/(δl/l_el)
73.δf是载荷曲线直线段任意a、b两点间拉伸载荷变化量，δl是a、b两点间的轴向位移变化量，s_0是拉伸试样截面积，l_el是拉伸试验的轴向标距段长度。泊松比通过以下公式获得：
74.μ＝(δt/l_et)/(δl/l_el)
75.δt为横向变形量，l_et为横向标距段长度。
76.采用厚搭接剪切试样进行结构胶剪切失效试验，试验样件如图2b所示，获得结构胶最大剪应力、剪切临界能量释放率以及剪切状态下平行段比例。试验所得应变-位移曲线如图3b所示，曲线应变的最大值对应的“应力”即为结构胶的最大剪应力，曲线所包络面积即为剪切临界能量释放率，剪切平行段的位移与总失效位移的比值即为剪切状态下平行段比例。
77.采用厚对接试样进行结构胶拉伸失效试验，试验样件如图2c所示，获得结构胶最大正应力与拉伸临界能量释放率。试验所得应变-位移曲线如图3c所示，曲线应变的最大值对应的“应力”即为结构胶的最大正应力，曲线所包络面积即为拉伸临界能量释放率。
78.这里的结构胶剪切失效与拉伸失效试验样件如图2b、图2c所示，被连接件采用金属厚壁件，保证在试验过程中不发生塑性变形；单纯考查胶层的失效特性。
79.2、结构胶本体力学特性试验标定，应用ls-dyna软件mat*_169关键字，结合步骤1获得的结构胶本体力学性能参数(弹性模量、泊松比、最大正应力，最大剪应力，临界能量释放率、剪切状态下平行段比例等)，建立结构胶的ls-dyna材料卡。根据步骤一的剪切及拉伸断裂参数试验建立结构胶本体力学性能标定模型，其中辅助加载的厚壁件与结构胶均采用体单元建模，二者之间通过共节点连接。调整材料卡关键字中相关参数(弹性模量、泊松比、最大正应力，最大剪应力，临界能量释放率、剪切状态下平行段比例)直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上，得到标定好的结构胶ls-dyna材料卡。标定完成的仿真与试验力-位移曲线如图4所示。
80.3、样片级胶接接头力学性能试验，根据整车实际应用情况，选取对应的被连接金属板材(要求材料牌号及厚度一致)，制作胶接接头搭接及t型剥离试验试样，如图5所示。样片在与实车相同的固化及烘烤温度条件下进行热处理。通过多功能拉伸试验机获得接头搭接剪切及剥离失效的力-位移曲线。
81.这里的胶接接头与实际整车的应用场景相同，考虑了被连接件的材料与厚度，固化及烘烤温度场变化引入的胶层残余应力的影响。
82.4、建立样片级胶接接头力学性能试验仿真模型，金属母材采用壳单元建模，胶层采用体单元建模，胶层与母材间建立*contact_tied_nodes_to_surface接触。调整结构胶材料卡最大正应力，最大剪应力，临界能量释放率、剪切状态下平行段比例等失效参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上。标定完成的仿真与试验力-位移曲线如图6所示。
83.5、开展部件级冲击试验，试验根据部件在碰撞工况中受力特点设计，可采用落锤冲击试验，如图7所示，带有胶接接头的部件一端固定，落锤以一定的速度冲击部件另一端，得到试验的力-位移曲线。依据第四步中标定完的接头模型，建立部件冲击试验仿真模型。调整结构胶材料卡关键字中相关参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上，标定完成的仿真与试验力-位移曲线如图8所示。结合仿真与试验接头失效形式，确认最终胶接接头仿真模型。
84.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
技术特征：1.一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：a、结构胶本体力学性能试验：a1、制得结构胶本体拉伸试验样件，获得结构胶固化后的弹性模量、泊松比基础力学性能参数；a2、采用厚搭接剪切试样进行结构胶剪切失效试验，获得结构胶最大剪应力、剪切临界能量释放率以及剪切状态下平行段比例；a3、采用厚对接试样进行结构胶拉伸失效试验，获得结构胶最大正应力与拉伸临界能量释放率；b、结构胶本体力学特性试验标定：b1、应用关键字结合步骤a获得的结构胶本体力学性能参数，建立结构胶的材料卡；b2、根据步骤a的剪切及拉伸断裂失效试验建立结构胶本体力学性能标定模型，其中辅助加载的厚壁件与结构胶均采用体单元建模，二者之间通过共节点连接；调整上述材料卡关键字参数直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到90％以上；c、样片级胶接接头力学性能试验：根据整车实际应用情况，选取对应的被连接金属板材制作胶接接头搭接及t型剥离试验试样，样片在与实车相同的固化及烘烤温度条件下进行热处理；d、样片级胶接接头力学性能试验标定：建立样片级胶接接头力学性能试验仿真模型，金属母材采用壳单元建模，对结构胶材料卡最大正应力，最大剪应力，临界能量释放率、剪切状态下平行段比例等失效参数进行修正，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上；e、部件级试验标定：开展部件级冲击试验，依据步骤d中标定完的接头模型，建立部件冲击试验仿真模型；调整结构胶材料卡关键字中相关参数，直至仿真与试验力-位移曲线cor拟合度达到85％以上，结合仿真与试验接头失效形式，确认最终胶接接头仿真模型。2.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤a1，单纯使用结构胶固化制得结构胶本体拉伸试验样件，通过多功能拉伸试验机，获得结构胶固化后的弹性模量、泊松比等基础力学性能参数。3.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于，步骤a1，所述弹性模量通过以下公式计算获得：e＝(δf/s_0)/(δl/l_el)δf是载荷曲线直线段任意a、b两点间拉伸载荷变化量，δl是a、b两点间的轴向位移变化量，s_0是拉伸试样截面积，l_el是拉伸试验的轴向标距段长度；所述泊松比通过以下公式获得：μ＝(δt/l_et)/(δl/l_el)δt为横向变形量，l_et为横向标距段长度。4.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤a2，试验所得应变-位移曲线应变的最大值对应的应力即为结构胶的最大剪应力，曲线所包络面积即为剪切临界能量释放率，剪切平行段的位移与总失效位移的比值即为剪切状态下平行段比例。
5.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤a3，试验所得应变-位移曲线应变的最大值对应的应力即为结构胶的最大正应力，曲线所包络面积即为拉伸临界能量释放率。6.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤b1，材料卡关键字参数包括弹性模量、泊松比、最大剪应力、剪切临界能量释放率、剪切状态下平行段比例、最大正应力以及拉伸临界能量释放率。7.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤c，选取对应的被连接金属板材时要求材料牌号及厚度一致。8.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤c，通过多功能拉伸试验机获得接头搭接剪切及剥离失效的力-位移曲线。9.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤d，胶层采用体单元建模，胶层与母材间建立*contact_tied_nodes_to_surface接触。10.根据权利要求1所述的一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，其特征在于：步骤e，试验根据部件在碰撞工况中受力特点设计，采用落锤冲击试验，带有胶接接头的部件一端固定，落锤以一定的速度冲击部件另一端，得到试验的力-位移曲线。
技术总结本发明涉及一种钢铝混合车身钣金胶接连接的碰撞仿真方法，包括结构胶本体力学性能试验；采用厚搭接剪切试样进行结构胶剪切失效试验，获得结构胶最大剪应力、剪切临界能量释放率及剪切状态下平行段比例；采用厚对接试样进行结构胶拉伸失效试验，获得结构胶最大正应力与拉伸临界能量释放率；结构胶本体力学特性试验标定，建立结构胶材料卡；建立结构胶本体力学性能标定模型；选取对应被连接金属板材制作胶接接头搭接及T型剥离试验试样；样片级胶接接头力学性能试验标定；部件级试验标定。本发明考虑被连接件不同材料与厚度及不同涂装烘烤温度对于胶接接头的力学性能的影响，可准确模拟汽车钢铝混合车身钣金胶接连接在碰撞工况中的变形与失效行为。况中的变形与失效行为。况中的变形与失效行为。
技术研发人员：王雪松 芦强强 丁建鹏 姚宙 王士彬 娄方明
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2022.06.17
技术公布日：2022/11/1
