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原文传递基于强度非均匀性与形貌的车用铝合金薄板双脉冲MIG焊接头建模

论文题名：	基于强度非均匀性与形貌的车用铝合金薄板双脉冲MIG焊接头建模
关键词：	车用铝合金薄板;双脉冲MIG焊;接头强度非均匀性;接头形貌;车身结构
摘要：	为实现新能源汽车轻量化、低碳化、智能化等领域的产业布局，铝合金材料的应用逐渐成为电动汽车行业的发展趋势之一，随之而来的是铝合金自身属性对先进连接工艺的特殊需求。双脉冲MIG焊（Double-pulseMetalInertGasWelding，双脉冲熔化极惰性气体保护焊）具备较高的焊缝质量与焊接效率，因此在车身铝合金结构的制造过程中得到了广泛使用。然而，铝合金焊接接头在材料强度上的非均匀特性以及形貌特征上的改变往往成为制约宏观结构连接强度的关键因素，这将对接头区域的仿真建模提出更高要求。本文以2mm厚的铝合金薄板双脉冲MIG焊接头为研究对象，基于试验探究了接头的非均匀特性与几何形貌，通过多目标优化方法以及等效理论，实现了接头在强度与几何两个维度上的等效表达，具体内容如下：　　首先，量化并研究了铝合金薄板双脉冲MIG焊接头的非均匀特性与形貌特征。根据所采集到的硬度分布来间接反映出接头区域材料强度的非均匀特性，并据此将接头划分为五个区域，之后借助不同分区微型试样的拉伸试验，获得了接头各分区不同材料的应力-应变关系，揭示了铝合金焊接接头非均匀特性对整体结构负载能力的弱化效果。此外还测量了接头区域的形貌特征参数，进而对比分析了焊缝形貌特征对焊接结构承载极限的影响。　　随后，对焊接接头在强度非均匀性与焊缝形貌这两个维度分别进行建模。针对传统建模方法无法反映接头强度非均匀性的问题，论文基于试验数据拟合出了接头各分区材料在弹塑性阶段与损伤失效阶段的本构模型参数，通过对本构参数的多目标优化得到能够综合反映接头各区域材料性能的五材料等效模型。针对传统模型无法反映接头形貌特征的问题，论文将焊缝区域视作由若干变截面梁状离散体组成的连续结构，借助变截面梁等效理论将离散体等效为梯形截面梁，之后又利用非线性弹簧单元来反映焊缝结构在焊接方向的连续性。二者的组合实现了铝合金双脉冲MIG焊接头在材料分布与形貌特征这两个维度的等效表达。该接头模型为包含了等效材料、梯形截面梁与弹簧单元的组合模型，为便于表述简称为ETS（Equivalentmaterial-Trapezoidalsectionbeam-Springelement）模型。　　最后，在车身铝合金焊接结构的耐撞性数值模拟中验证ETS模型的精度与效率。目标结构由两段尺寸相当的铝合金箱型薄壁梁焊接而成，仿真试验以实体单元精细模型作为参考对象，对不同接头模型在准静态压缩工况下的仿真精度进行了对比，之后还探索性的在低速及中高速碰撞工况中分析了各接头模型的模拟效果。在三种工况中，应用ETS模型所得到的模拟结果均与参考对象表现出更高的综合一致性，同时计算用时少量增加，验证了该等效模型可在多种工况下满足高精高效的工程需求。　　论文依托试验，展现了接头非均匀特性与形貌的表达在铝合金焊接结构仿真分析中的必要性，并据此建立了满足精度与效率需求的新型组合模型，面向工程应用为铝合金车身焊接结构的仿真建模提供了新的着眼点与解决方案。
作者：	张冠宸
专业：	车身工程
导师：	陈鑫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023