周建君，许俊海，范青山，李晓宇

(广汽新能源汽车有限公司，广东 广州 511458)

0 引言

自冲铆接被应用于汽车下车体，以及汽车覆盖件和座椅的连接中[1]。有限元仿真能够模拟自冲铆接的成型过程[2]。ABAQUS提供了Python语言接口供用户进行仿真的前后处理二次开发，鲁万彪等通过ABAQUS二次开发建立了压形件的成型仿真插件，简化了建模过程[3]。本文选取焊装生产的实际搭接，建立仿真模型，并通过Python语言对自冲铆接的前后处理模块进行二次开发，建立了自冲铆接的快速建模和结果处理的GUI插件。自冲铆接接头截面参数的剩余厚度是连接质量的重要指标[4]。针对生产中后地板和前机舱薄板搭接的剩余厚度不足的问题，本文通过仿真和试验相结合的方法研究了头高参数和底层板厚度对接头剩余厚度的影响规律。同时，本文的研究也为研究开发Python在其他连接技术的模拟应用提供指导和借鉴。

1 自冲铆接模型建立

1.1 装配体的建立

某汽车白车身后地板分总成的备胎面板与音响支架的搭接组合为薄板铝合金5 754/1.4mm+5 754/1.4mm，铆接设备是TUCKER公司产品，铆钉牌号为C5.3×6.0H0，铆模为M260468。图1是后地板薄板搭接的自冲铆接装配体和数值仿真模型。

图1 后地板薄板铆接示意图

铆钉及铆模的几何尺寸如图2所示，单位为mm。在ABAQUS软件中建立轴对称装配体仿真模型，其中冲头、铆鼻和铆模为轴对称解析刚体。自冲铆钉和上下铝板为轴对称变形体。

图2 铆钉和铆模的几何尺寸

1.2 铆钉和铝合金特性设定

金属定义为各向同性的材料属性。铝合金5754的材料属性如表1所示[5]。自冲铆钉C5.3×6.0H0的材料为钢材39NiCrMo3，硬度对应280±30Hv10，性能属性如表2所示。

表1 铝合金5754的力学性能

表2 钢材39NiCrMo3的力学性能

1.3 边界条件及对象关系的设定

铆鼻和铆模设定为完全固定，冲头固定两个自由度U1=UR3=0，留下一个自由度U2，添加位移载荷，幅值为6.0mm，直线加载。冲头和自冲铆钉的对象关系设定为固接。许多接触问题如冲压、锻造、旋压、切削等在模拟过程中都可以使用罚摩擦行为[6]。铆鼻、上下板材、铆模和铆钉之间的接触定义为罚函数，系数取值0.2。

1.4 网格划分

上下层板采用结构化网格划分技术，单元类型选择四面体，静力学单元库、轴对称应力/位移单元族、线性减缩积分，即接受CAX4R单元，网格布置密度为0.1×0.1mm2，上层板单元数量为1 260个，下层板单元数量为1 260个。自冲铆钉采用自由化网格划分技术为四面体单元，动力学单元库、轴对称应力/位移单元族、线性减缩积分，即接受CAX4R单元，网格布置密度为0.15×0.15mm2，自冲铆钉的单元数量为412个。

2 ABAQUS二次开发简介

GUI插件程序可通过RSG(really simple GUI)Dialog Builder可视化操作得到,在GUI标签页中包括布局管理工具、文字、图标工具、输入框、文件选择等。在Kernel编辑标签页中包括文件打开按钮和函数选择下拉列表[7]。

3 自冲铆接仿真插件的建立

3.1 内核程序

通过ABAQUS的宏录制功能，在工作目录得到abaqusMarco.py文件。使用文本编辑器PyCharm打开并修改源代码，得到铆模直径与深度、铆钉长度、板材厚度组合和头高设置的参数化建模脚本语言。以定义铆模深度和直径为例：

#对铆模的深度和直径进行参数化处理，深度：die_depth，直径：die_diamter

s1 = mdb.models['Model-2']. ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=50.0)

g, v, d, c = s1.geometry, s1.vertices, s1.dimensions, s1.constraints

s1.sketchOptions.setValues(viewStyle=AXISYM)，s1.setPrimaryObject(option=STANDALONE)

s1.ConstructionLine(point1=(0.0, -25.0), point2=(0.0, 25.0))

s1.Line(point1=(0.0, die_depth), point2=(die_diamter/2, -2.0))…

p = mdb.models['Model-1']. Part(name='die_name', dimensionality=AXISYMMETRIC,

type=ANALYTIC_RIGID_SURFACE)

3.2 插件界面

通过RSG构建GUI界面，对标签页中关键字进行定义，使其与前文脚本的参数关键字相对应。同样取铆模的深度和直径为例，产生的源代码如下：

#定义铆模的深度和直径

RsgTextField(p='VFrame_4', fieldType='Float', ncols=12, labelText='Die_diamter(mm)', keyword='die_diamter', default='')

RsgTextField(p='VFrame_4', fieldType='Float', ncols=13, labelText='Die_depth(mm)', keyword='die_depth', default='')

构建了如图3所示的用户输入参数界面。

图3 用户输入参数界面

3.3 插件使用说明

利用图3所示的插件，在对话框中输入模型数据库文件cae和任务Job的名称，参数化定义上下层板、铆钉长度、铆模尺寸和头高参数。点击“OK”自动实现装配体生产、部件分割、接触与耦合定义、工作步建立、场变量添加、历史变量添加、材料性能定义和任务运算提交等操作，再导出最后一个增量时的应力云图并命名图片名称。

4 自冲铆接仿真插件在薄板搭接中的应用

4.1 剩余厚度的头高参数影响研究

为了找到后地板中备胎面板和音响支架的合适连接工艺参数，进行了两种头高参数的铆接仿真和铆接试验。仿真与试验的金相截面如图4所示。取剩余厚度为目标结果，测量结果如表3所示。

图4 仿真与试验的金相截面

表3 仿真与试验的剩余厚度测量值(头高)

由表3可得出结论：1)试验结果与仿真结果误差<10%，即仿真模型具有一定的准确性和可信度；2)增加头高参数值能够提高铆接剩余厚度。

4.2 剩余厚度的底层板厚度影响研究

前机舱分总成结构中前纵梁和减震塔的连接处搭接组是5 754/1.4mm +5 754/1.4mm或2.0mm，铆钉C5.3×6.0H0，铆模M260468，头高0.0mm，如图5所示。进行了两种状态下的铆接仿真和试验。仿真与试验的金相截面如图6所示。取剩余厚度为目标结果，测量结果如表4所示。

图5 前机舱薄板搭接示意图

图6 底板厚度为2mm时试验与仿真的金相截面

表4 仿真与试验的剩余厚度测量值(底板)

由表4可得，增加底层板即铆模侧的材料厚度，能够明显地提高剩余厚度。在同步工程时提出设计变更，建议该处连接的减震塔铝材厚度设计变更为2.0mm。

5 结语

1)基于自冲铆接实际应用案例，建立ABAQUS仿真模型。利用Python语言和RSG功能进行ABAQUS软件二次开发，得到自冲铆接仿真插件，提高了前后处理的效率。

2)针对薄板搭接的剩余厚度较小问题，分别对头高0.0mm和0.15mm两种状态以及底板厚度1.4mm和2.0mm两种状态进行仿真和试验对比，验证了仿真模型的准确性，并得到了提高头高参数和底层板厚度都能够提高铆接接头剩余厚度的结论。