了解一下铆钉冲压仿真

铆钉连接简介  

       铆钉是一种常见的连接方式，相对于螺栓连接、焊接等具有其独特的优势：1. 减轻重量，铆钉连接不需要额外的金属填充和加工，只需要通过孔洞连接，相对于焊接减少了材料的使用；2. 提供可靠连接方式，铆钉连接相对于焊接和螺栓连接能够提供更可靠的连接方式，不会因为外力的作用而松动或脱落；3. 分散载荷，铆钉连接通过将结构部件紧密地固定在一起，有效地分散这些载荷和应力；4. 方便维修，铆钉连接相对于焊接来说，拆卸和维修都更加方便。维修工人通过检查铆钉是否完整、牢固，来判断是否需要更换新的铆钉。因此铆钉连接广泛用于飞机、汽车等领域。图1为常见的铆钉连接：

图1.常见的铆钉连接

     图2为常见的铆钉结构，针对这种结构，本文设计了上工装、连接件、下模模拟铆钉冲压的过程。

图2.常见的铆钉及本次仿真的铆钉结构

仿真分析  

2.1网格划分及面集建立

      对上工装、铆钉、连接件采用六面体网格(C3D8R)，下模采用四节点壳单元(S4R，厚度任意)，在后面仿真中由于冲压模具及上工装相对变形较小，所以这两部分采用刚性体仿真，网格划分如下(采用Hypermesh进行网格划分)：

图3.网格划分

      然后由于在冲压过程中存在接触关系，所以需要针对各接触面，建立面集便于后面接触对的建立：

图4.面集建立

2.2材料设置

      由于铆钉连接主要通过铆钉端部的塑性变形来实现对连接件的紧固，所以铆钉部分采用弹塑性材料，并且由于采用显式动力学分析，所以需要赋予材料密度属性。其他结构部分采用弹性材料即可，塑性特性参数见图5(弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m^3)，设置好材料后，对各部分赋予属性。

图5.材料属性

2.3载荷步建立

      建立显示动力学分析，然后开启大变形，质量缩放系数设为1000：

图6.载荷步设置

2.4约束设置

      由于上工装及模具采用刚性体，所以需要对这两部分进行刚性体约束，首先建立两个参考点，然后基于参考点及相应单元设置刚性体：

图7.刚性体设置

     在接触建立方面，首先建立接触属性，设定切向行为和法向行为：

图8.接触属性建立

      针对前面建立的接触面集及接触属性，建立如下的三个面-面接触对，由于铆压过程中，铆钉变形量较大可能会产生其他接触行为，因此在这里再建立一个自接触：

图9.面接触及自接触建立

2.5载荷边界设置

      整个铆接过程中，上工装及连接件是固定不动的，因此设置上工装参考点的六个自由度为0，连接件表面的3个平动自由度为0；然后设定下模具是向上运动的，Y向位移为10mm(随载荷步时间线性增加)，其他自由度设为0：

图10.载荷边界设置

      设置完后，提交计算进行仿真，具体的仿真结果如下：

      通过结果及仿真动画可以看到铆钉头在冲压过程中发生变形，然后实现了对连接件的紧固(由于在建模时，铆钉的长度设置有点短，所以在铆接冲压过程中铆钉变形并没有填满模具)。

图11.仿真结果