ABAQUS二次開發在自沖鉚接模擬中的研究

周建君，許俊海，范青山，李曉宇

(廣汽新能源汽車有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

自沖鉚接被應用于汽車下車體，以及汽車覆蓋件和座椅的連接中[1]。有限元仿真能夠模擬自沖鉚接的成型過程[2]。ABAQUS提供了Python語言接口供用戶進行仿真的前后處理二次開發，魯萬彪等通過ABAQUS二次開發建立了壓形件的成型仿真插件，簡化了建模過程[3]。本文選取焊裝生產的實際搭接，建立仿真模型，并通過Python語言對自沖鉚接的前后處理模塊進行二次開發，建立了自沖鉚接的快速建模和結果處理的GUI插件。自沖鉚接接頭截面參數的剩余厚度是連接質量的重要指標[4]。針對生產中后地板和前機艙薄板搭接的剩余厚度不足的問題，本文通過仿真和試驗相結合的方法研究了頭高參數和底層板厚度對接頭剩余厚度的影響規律。同時，本文的研究也為研究開發Python在其他連接技術的模擬應用提供指導和借鑒。

1 自沖鉚接模型建立

1.1 裝配體的建立

某汽車白車身后地板分總成的備胎面板與音響支架的搭接組合為薄板鋁合金5 754/1.4mm+5 754/1.4mm，鉚接設備是TUCKER公司產品，鉚釘牌號為C5.3×6.0H0，鉚模為M260468。圖1是后地板薄板搭接的自沖鉚接裝配體和數值仿真模型。

圖1 后地板薄板鉚接示意圖

鉚釘及鉚模的幾何尺寸如圖2所示，單位為mm。在ABAQUS軟件中建立軸對稱裝配體仿真模型，其中沖頭、鉚鼻和鉚模為軸對稱解析剛體。自沖鉚釘和上下鋁板為軸對稱變形體。

圖2 鉚釘和鉚模的幾何尺寸

1.2 鉚釘和鋁合金特性設定

金屬定義為各向同性的材料屬性。鋁合金5754的材料屬性如表1所示[5]。自沖鉚釘C5.3×6.0H0的材料為鋼材39NiCrMo3，硬度對應280±30Hv10，性能屬性如表2所示。

表1 鋁合金5754的力學性能

表2 鋼材39NiCrMo3的力學性能

1.3 邊界條件及對象關系的設定

鉚鼻和鉚模設定為完全固定，沖頭固定兩個自由度U1=UR3=0，留下一個自由度U2，添加位移載荷，幅值為6.0mm，直線加載。沖頭和自沖鉚釘的對象關系設定為固接。許多接觸問題如沖壓、鍛造、旋壓、切削等在模擬過程中都可以使用罰摩擦行為[6]。鉚鼻、上下板材、鉚模和鉚釘之間的接觸定義為罰函數，系數取值0.2。

1.4 網格劃分

上下層板采用結構化網格劃分技術，單元類型選擇四面體，靜力學單元庫、軸對稱應力/位移單元族、線性減縮積分，即接受CAX4R單元，網格布置密度為0.1×0.1mm2，上層板單元數量為1 260個，下層板單元數量為1 260個。自沖鉚釘采用自由化網格劃分技術為四面體單元，動力學單元庫、軸對稱應力/位移單元族、線性減縮積分，即接受CAX4R單元，網格布置密度為0.15×0.15mm2，自沖鉚釘的單元數量為412個。

2 ABAQUS二次開發簡介

GUI插件程序可通過RSG(really simple GUI)Dialog Builder可視化操作得到,在GUI標簽頁中包括布局管理工具、文字、圖標工具、輸入框、文件選擇等。在Kernel編輯標簽頁中包括文件打開按鈕和函數選擇下拉列表[7]。

3 自沖鉚接仿真插件的建立

3.1 內核程序

通過ABAQUS的宏錄制功能，在工作目錄得到abaqusMarco.py文件。使用文本編輯器PyCharm打開并修改源代碼，得到鉚模直徑與深度、鉚釘長度、板材厚度組合和頭高設置的參數化建模腳本語言。以定義鉚模深度和直徑為例：

#對鉚模的深度和直徑進行參數化處理，深度：die_depth，直徑：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

通過RSG構建GUI界面，對標簽頁中關鍵字進行定義，使其與前文腳本的參數關鍵字相對應。同樣取鉚模的深度和直徑為例，產生的源代碼如下：

#定義鉚模的深度和直徑

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='')

構建了如圖3所示的用戶輸入參數界面。

圖3 用戶輸入參數界面

3.3 插件使用說明

利用圖3所示的插件，在對話框中輸入模型數據庫文件cae和任務Job的名稱，參數化定義上下層板、鉚釘長度、鉚模尺寸和頭高參數。點擊“OK”自動實現裝配體生產、部件分割、接觸與耦合定義、工作步建立、場變量添加、歷史變量添加、材料性能定義和任務運算提交等操作，再導出最后一個增量時的應力云圖并命名圖片名稱。

4 自沖鉚接仿真插件在薄板搭接中的應用

4.1 剩余厚度的頭高參數影響研究

為了找到后地板中備胎面板和音響支架的合適連接工藝參數，進行了兩種頭高參數的鉚接仿真和鉚接試驗。仿真與試驗的金相截面如圖4所示。取剩余厚度為目標結果，測量結果如表3所示。

圖4 仿真與試驗的金相截面

表3 仿真與試驗的剩余厚度測量值(頭高)

由表3可得出結論：1)試驗結果與仿真結果誤差<10%，即仿真模型具有一定的準確性和可信度；2)增加頭高參數值能夠提高鉚接剩余厚度。

4.2 剩余厚度的底層板厚度影響研究

前機艙分總成結構中前縱梁和減震塔的連接處搭接組是5 754/1.4mm +5 754/1.4mm或2.0mm，鉚釘C5.3×6.0H0，鉚模M260468，頭高0.0mm，如圖5所示。進行了兩種狀態下的鉚接仿真和試驗。仿真與試驗的金相截面如圖6所示。取剩余厚度為目標結果，測量結果如表4所示。

圖5 前機艙薄板搭接示意圖

圖6 底板厚度為2mm時試驗與仿真的金相截面

表4 仿真與試驗的剩余厚度測量值(底板)

由表4可得，增加底層板即鉚模側的材料厚度，能夠明顯地提高剩余厚度。在同步工程時提出設計變更，建議該處連接的減震塔鋁材厚度設計變更為2.0mm。

5 結語

1)基于自沖鉚接實際應用案例，建立ABAQUS仿真模型。利用Python語言和RSG功能進行ABAQUS軟件二次開發，得到自沖鉚接仿真插件，提高了前后處理的效率。

2)針對薄板搭接的剩余厚度較小問題，分別對頭高0.0mm和0.15mm兩種狀態以及底板厚度1.4mm和2.0mm兩種狀態進行仿真和試驗對比，驗證了仿真模型的準確性，并得到了提高頭高參數和底層板厚度都能夠提高鉚接接頭剩余厚度的結論。