一种SPR胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法

本发明涉及连接结构力学性能仿真预测，具体涉及一种spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法。

背景技术：

1、随着汽车轻量化及多材料车身技术的发展，高强钢、铝合金等轻质材料在车身结构中的应用比例不断提高，传统电阻点焊工艺在异种材料连接、单面连接及热敏感材料连接等方面受到限制。自冲铆接（self-piercing riveting，简称spr）无需预制孔、连接效率高、适用于多种材料组合，已逐渐成为汽车轻量化车身的重要机械连接方式。

2、为进一步提高spr接头的承载能力、疲劳性能及密封性能，将结构胶与spr机械连接相结合的胶铆复合连接技术得到广泛应用。该连接形式通过结构胶承担界面载荷并扩大载荷传递区域，同时依靠spr形成稳定的机械锁固作用，使胶接与机械连接形成协同承载。随着胶铆复合连接结构在新能源汽车车身中的应用增加，采用有限元方法预测其载荷传递、损伤演化及失效行为已成为连接工艺设计和结构性能评价的重要手段。现有胶铆复合连接有限元模型通常采用结构胶材料模型与spr机械连接模型组合描述接头力学行为，并通过试验标定结构胶及连接区域的相关参数，以获得接头的载荷―位移响应。

3、然而，在实际spr成形过程中，铆钉压入、板材局部变形以及上下板界面约束会共同作用于尚未固化或处于流动状态的结构胶，使胶液发生明显的挤压、流动、扩散及重新分布。成形后的真实胶层在铺展范围和厚度分布方面均可能明显偏离设计状态，而常规有限元模型仍主要依据理论施胶范围和名义胶层厚度建立具有规则边界、统一厚度及完整覆盖特征的理想胶层。由此，现有技术至少存在以下缺陷。

4、其一，spr成形使胶层发生铺展边界重构与厚度场非均匀化。随着铆钉持续压入以及上下板局部弯曲和塑性变形，结构胶受到界面挤压并沿胶接平面流动和重新分布：不同位置受到的压缩程度不同，使胶层沿连接区域形成厚度梯度并产生局部增厚、减薄等非均匀特征；胶液向周围区域迁移，则使实际铺展边界形成与理论施胶边界不同的不规则轮廓。因此，成形后胶层的真实几何状态与设计阶段采用的规则、等厚胶层之间存在本质差异。

5、其二，规则等厚有限元胶层与真实胶层之间存在几何状态与空间承载贡献的双重失配。现有模型按理论施胶面积和统一胶层厚度建立结构胶区域，隐含了不同位置单位面积胶层具有相同承载作用的假设。然而，真实胶层经spr成形后实际铺展面积与厚度状态均已改变；且由于搭接结构的载荷传递路径、结构偏心以及spr机械锁固作用的共同影响，不同空间位置的胶层对整体载荷传递的贡献并不相同――即使总体面积相同，面积分布于不同空间区域时也会表现出不同的承载响应。该双重失配将影响结构胶与spr机械连接之间的载荷分配，使接头的初始刚度、峰值载荷、损伤演化及失效位移等力学响应产生预测偏差。

6、其三，现有模型主要依赖材料参数补偿，缺少由真实胶层状态直接驱动的递进式修正机制。当理想胶层有限元模型与试验载荷―位移曲线存在偏差时，现有建模方法通常通过反复调整结构胶的刚度、强度、损伤或失效参数进行标定，使仿真结果逐步逼近试验结果。然而，spr成形引起的胶层铺展面积变化、厚度非均匀以及空间分布变化属于连接成形后的结构状态特征，并不等同于结构胶的本征力学性能；以改变材料参数补偿上述影响，容易使材料本征属性与胶层成形状态效应相互混淆，标定参数失去明确的物理对应关系，并降低同一组材料参数在不同板厚、材料组合及连接工况下的迁移能力。此外，现有方法缺少由真实胶层物理测量结果直接驱动有限元承载区域构建、并能进一步识别空间传载差异的递进式修正机制，因而难以判别偏差究竟来源于材料性能、胶层几何状态还是胶层空间承载位置差异。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决背景技术中存在的上述问题，而提出的一种spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法。该方法以spr成形后真实胶层的物理测量结果为直接输入，在保持结构胶本征材料参数、spr连接参数及有限元基准胶层厚度均不变的前提下，通过有限元胶层有效承载区域的逐级修正表征真实胶层的成形状态与空间承载差异，从而降低胶铆复合连接接头载荷―位移响应的预测偏差。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法，包括以下步骤：

3、s1、将spr胶铆复合连接接头成形后的试样上下板分离，采集实际胶层的平面铺展图像，经尺度标定与二值化处理得到实际胶层二值图；按确定实际胶层铺展面积，为二值图中有效胶层的像素数量，kx、ky为图像x、y方向的尺度标定系数；

4、以及，对同工艺条件试样进行截面制样，采集胶层截面图像并连续识别胶层上边界yu(x)与下边界yl(x)，按确定局部胶层厚度，kh为截面图像线性标定系数；沿胶层长度方向提取m个测量位置，取各位置局部厚度的平均值作为代表性胶层厚度havg；

5、s2、按确定首次有效面积修正系数η0，按确定首次映射有效承载面积；a0为理论完整胶接面积，h0为有限元基准胶层厚度；

6、s3、建立spr胶铆复合连接有限元模型，其中spr机械连接区域采用spr连接单元描述；以构建规则胶层有效承载区域，有限元胶层厚度保持为h0；

7、s4、将步骤s3所得模型与同工况剪切试验的载荷―位移响应对标；当峰值载荷与初始刚度均满足预设允许偏差时取并结束修正，任一项不满足时执行步骤s5至s9；

8、s5、以铆钉中心及加载方向为空间定位基准，将所述二值图与有限元坐标系下的理论完整胶接区域坐标配准，并将该区域划分为n个一一对应的空间区域ω1至ωn；由二值图统计第i个空间区域内的实际胶层面积aiexp，按确定面积保留率，ai0为该区域理论完整胶层面积；

9、s6、在所述有限元模型的初始稳定承载阶段选取标距相对位移不同的两个加载状态δ1、δ2，δ2大于δ1，提取第i个空间区域内胶层沿加载方向的传载力fi(δ1)、fi(δ2)，其差值δfi为该区域传载增量，按归一化得到传载贡献率ωi；

10、s7、将各空间区域的面积保留率与同一区域的传载贡献率ωi逐区耦合，按确定实验胶层空间传载率，按换算为基准胶厚条件下的目标空间传载量；

11、s8、按确定有限元空间传载率，为有效面积系数为η的规则有限元胶层在第i个空间区域内的覆盖面积；以为等效约束求解二次有效面积系数，按确定二次修正后的有效承载面积；

12、s9、保持结构胶本征材料参数、spr连接参数、板材材料参数、h0、加载方式及边界条件均不变，以重构有效承载区域并重新计算载荷―位移响应，与所述剪切试验对标至满足预设允许偏差后取，按确定最终有效承载面积。

13、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s1中，采用具有尺寸标定功能的显微图像采集系统或高分辨率光学图像采集系统采集所述实际胶层的平面铺展图像及所述胶层截面图像；所述二值化处理前依次进行图像增强、区域分割及边界识别，二值化时将实际有效胶层区域赋值为1、将非有效胶层区域赋值为0；所述非有效胶层区域包括非胶层区域、缺胶区域、孔洞区域以及未形成有效胶接的区域；所述截面制样为对所述胶铆复合连接接头或同一工艺条件制备的平行样件依次进行截面切割、镶嵌、磨制及抛光。

14、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s3中，所述有限元模型包括上板、下板、结构胶层及spr机械连接区域，所述spr机械连接区域采用spr连接单元关键字*constrained_spr2描述其机械锁固及载荷传递行为，所述结构胶层采用粘接材料模型*mat_169描述其在剪切加载过程中的力学响应；所述规则胶层有效承载区域通过保持所述理论完整胶接区域的外边界不变、并以胶层几何中心为基准对中心区域进行面积调整而形成，使调整后剩余的有限元胶层面积等于afe。

15、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s6中，所述初始稳定承载阶段为所述有限元模型的载荷―位移曲线呈近似线性且结构胶层尚未发生损伤起始的加载阶段，所述加载状态δ1和δ2均取自该加载阶段；所述标距相对位移由所述有限元模型中与所述剪切试验的标距位置相对应的两个参考点a和b沿加载方向的位移之差确定，其中和分别为参考点a和参考点b沿加载方向的位移；第i个空间区域内的胶层沿加载方向的传载力由该空间区域内各胶层单元的局部传载响应与其对应有效面积之乘积求和得到。

16、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s8中，所述规则有限元胶层的有效承载区域关于所述n个空间区域对称调整，使各空间区域的覆盖面积比例彼此相等且均满足，此时，并由直接确定所述二次有效面积系数。

17、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s8中，所述规则有限元胶层的有效承载区域按各空间区域的传载贡献率差异化调整，使传载贡献率较高的空间区域的覆盖面积比例大于传载贡献率较低的空间区域的覆盖面积比例，各空间区域的覆盖面积比例彼此不等，并由联立求解所述二次有效面积系数。

18、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s5中，以所述铆钉中心为原点、以剪切加载方向为x方向建立所述空间定位基准，所述n个空间区域为面积彼此相等且关于所述空间定位基准对称分布的区域。

19、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s4及步骤s9中，所述对标的评价指标还包括整体载荷―位移变化趋势、损伤起始位移、完全失效位移以及损伤起始位移与完全失效位移之间的相对关系；所述初始刚度由载荷―位移曲线在初始加载区间内的线性拟合斜率表征，且所述剪切试验与所述有限元模型的初始刚度取自相同的初始加载区间。

20、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，步骤s9中，当以重构有效承载区域后的有限元模型的载荷―位移响应仍不满足预设允许偏差时，返回步骤s8，以重构后的有限元模型对应的有限元空间传载率与所述目标空间传载量重新求解所述二次有效面积系数，并重复步骤s9，直至所述载荷―位移响应满足预设允许偏差。

21、在上述的spr胶铆复合连接等效承载面积识别及建模方法中，对板材厚度组合不同或板材材料组合不同的多个spr胶铆复合连接接头分别执行步骤s1至步骤s9，得到各所述接头各自的最终有限元胶层有效承载面积；在所述多个接头的有限元模型中采用同一组结构胶材料模型的本征材料参数及同一所述基准胶层厚度h0，各所述接头之间因板材厚度组合或板材材料组合不同而产生的胶层成形状态差异，仅由各自的最终有限元胶层有效承载面积表征。

22、需要说明的是，本发明中的图像处理与数值计算步骤并非独立于连接结构的抽象数据处理过程。二值化处理所提取的像素统计量直接来源于spr成形后接头真实胶层的铺展形貌，截面边界连续识别所提取的厚度量直接来源于胶层的真实几何状态；由此得到的首次有效面积修正系数用于确定有限元模型中结构胶单元的实际布置范围，从而改变模型的载荷传递路径与刚度分布；而由有限元模型计算得到的各空间区域传载贡献率，又反过来决定实测面积保留率在空间上的加权方式，并最终确定有限元胶层有效承载区域的调整量。因此，图像识别及数值求解步骤与接头的物理测量步骤、有限元建模步骤在功能上相互支持、存在相互作用关系，共同构成解决试验与仿真载荷―位移响应偏差这一技术问题的技术手段。

23、与现有的技术相比，本发明的优点在于：1、将传统基于理论施胶面积与名义胶层厚度的单一几何描述，转变为基于实际铺展面积与代表性胶层厚度的双物理量表征，使有限元胶层的承载范围具有明确、可测量的物理来源；2、在保持结构胶本征材料参数与有限元基准胶层厚度均不变的前提下，仅通过有效承载区域的变化表征spr成形后的胶层状态，实现胶层成形效应与材料本征性能的解耦建模，避免以材料参数反标补偿几何差异所导致的参数物理对应关系模糊，并使同一组结构胶材料参数能够在不同板厚组合及材料组合之间保持适用；3、通过各空间区域的传载贡献率对实测面积保留率加权，将实际不规则胶层因面积所处空间位置不同而产生的承载差异，定量映射为规则等厚有限元胶层有效承载面积的放大或缩小，为初始刚度偏差提供了明确的物理修正路径；4、形成由真实胶层物理表征、首次有效承载域映射、试验与仿真响应判定、空间传载二次修正及有效承载域重构构成的递进式修正机制，使有限元结果的偏差来源能够区分为材料性能、胶层几何状态与胶层空间承载位置差异，提高了载荷―位移响应的预测精度。