一种汽车用异种材料连接结构的设计方法及其连接结构技术

本发明专利技术公开一种汽车用异种材料连接结构的设计方法及其连接结构。本发明专利技术提出的连接结构包括母材A板、母材B板、机械连接构件和结构胶层。母材A板和母材B板搭接的部分之间涂抹有结构胶，同时使用自冲铆接工艺连接母材A和B板。本发明专利技术通过复合连接方法克服了自冲铆接相对点焊存在明显的强度偏低和刚度减小的问题，利用结构胶提高结合面的连接强度，改善连接部件的疲劳性能和吸能特性。此外，本发明专利技术提出的车身异种材料结构设计方法包括根据多材料车身技术路线确定材料类型和性能指标，运用多学科多目标优化设计方法进行连接结构的参数设计，通过材料性能试验评价连接性能，最后将连接设计应用至车身各部分，进而实现多材料车身轻量化设计。

A design method and connection structure of dissimilar materials for automobile

【技术实现步骤摘要】
一种汽车用异种材料连接结构的设计方法及其连接结构
本专利技术涉及汽车领域中的一种汽车异种材料的连接结构，尤其涉及一种汽车用异种材料连接结构的设计方法及汽车用异种材料连接结构。
技术介绍
随着汽车节能减排要求的不断提高，汽车轻量化技术逐渐发展，其中多材料车身设计由于具有优异的减重效果成为了发展的主流方向。用于汽车车身设计的新型材料越来越多，导致传统的连接技术不能满足要求。目前连接异种材料的主要方法有机械连接(螺栓连接、自冲铆、热熔自攻螺丝连接)、电阻点焊、激光焊接等。根据大部分车企的应用情况看，机械连接是不可避免的工艺选择，其中自冲铆接工艺应用最广，但自冲铆接相对传统点焊存在明显的强度偏低和刚度减小的问题。在现有的专利和文献中，大多集中于设计额外的装置和工序以此增加机械连接强度和降低成本，对于利用现有工艺条件设计复合连接方法的研究较少，同时较少考虑材料性能的设计和评价方法及在车身的应用。
技术实现思路
为解决强度偏低和刚度较小的技术问题，本专利技术提供一种汽车用异种材料连接结构的设计方法及其连接结构。本专利技术采用以下技术方案实现：1.一种汽车用异种材料连接结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法步骤如下：步骤一：异种材料类型与性能指标的确定：从整车车身结构性能出发，利用灵敏度分析方法，分别找出影响车身异种材料性能指标的关键部件；选择车身异种材料的性能指标，根据多材料车身技术路线，确定该关键部件的材料类型；步骤二：异种材料连接结构的连接性能设计：所述关键部件的材料类型和性能指标确定后，对异种材料的具体型号和结构参数进行确定和设计；以异种材料的结构参数为设计变量，异种材料的性能指标为约束和目标，以有限元仿真为驱动，以试验设计、近似模型的构建及精度检验和优化算法为核心的多目标优化方法来完成异种材料连接结构的连接性能确定；(1)试验设计设定母材A板的材料牌号为MA，母材B板的材料牌号为MB，结构胶层宽度为L，母材A板和母材B板厚度分别为TA和TB，即MA、MB、L、TA和TB为设计变量；设定关联性能对应的异种材料性能为设计响应，所述关联性能为异种材料的弹性模量E，最大载荷P，平均载荷F，疲劳寿命N；根据车身不同模块的性能要求，以异种材料的结构参数MA、MB、L、TA和TB为设计变量，以异种材料的弹性模量E和最大载荷P为约束，以质量W、平均载荷F和疲劳寿命N为优化设计目标；采用最优拉丁超立方设计方法生成60个样本点，通过有限元仿真得到各个样本点的响应值；(2)近似模型的构建及精度检验采用近似模型代替真实模型来预测未知处响应，并采用径向基函数拟合响应函数，利用样本数据构建径向基函数近似模型，生成10组样本数据；采用统计量确定性系数和均方根误差评估近似模型和样本点之间的误差，其数学表达式如下：其中，yi、分别是验证点响应的仿真值、对应近似模型预测值以及仿真值的平均值；R2为统计量确定性系数，RMSE为均方根误差；当R2均大于0.9且RMSE低于0.1，表明构建的径向基函数近似模型的精度满足要求，从而代替有限元仿真用于后续的优化设计；若不满足要求，增加样品点，重新进行试验设计；(3)优化算法所述多目标优化设计的数学模型为：利用上述构建的径向基函数近似模型进行优化设计，采用改进非支配排序遗传算法对其进行优化求解，并将优化后的结果进行有限元仿真验证，若满足要求，由优化得到的优化解为异种材料连接结构性能设计的参数值；若不满足要求，则优化设计变量和目标，重新进行试验设计；步骤三：异种材料连接结构的连接性能评价：所述异种材料的结构参数经优化设计满足性能要求后，进行相应的实验测试来评价异种材料连接结构的连接性能，根据实验结果来评价异种材料连接结构的连接性能；步骤四：连接设计应用整车车身：所述异种材料连接结构的连接性能试验评价测试完成后，得到具体材料型号、板材厚度及结构胶层宽度的结构参数，将其应用至相应车身关键部件，构建复合连接方式的轻量化多材料车身。作为上述方案的进一步改进，所述异种材料的性能指标为扭转刚度、弯曲刚度、疲劳强度和耐撞性能。作为上述方案的进一步改进，所述步骤三中实验测试包括剪切实验、剥离实验、硬度试验及疲劳试验。进一步地，所述步骤三中所述连接性能评价的具体方法为：通过对所述异种材料连接结构进行剪切实验和剥离实验得到异种材料连接结构的力-位移曲线，再通过数据减缩技术转换为应力-应变曲线；从应力-应变曲线的线弹性阶段得到表征连接刚度的弹性模量E，通过弹性模量E评估异种材料连接结构的刚度性能；由力-位移曲线的峰值得到表征连接强度的最大载荷P，对力-位移曲线进行积分处理可以得到表征吸能特性的平均载荷F，通过最大载荷P评价异种材料连接结构的强度性能；通过对异种材料连接机构进行硬度试验可获得硬度分布曲线图，由分布曲线评估异种材料连接结构的表面硬度情况；通过对异种材料连接结构进行疲劳试验得到相应的疲劳寿命曲线，从曲线中得到异种材料连接结构在不同载荷下的循环次数N，结合硬度分布和疲劳寿命来综合评估异种材料的耐久性能。本专利技术还提供一种汽车用异种材料连接结构，其包括：母材A板和母材B板，其中母材A板和母材B板是用于汽车车身设计的两种不同的材料；机械连接构件，用于连接母材A板和母材B板；结构胶层，涂抹于母材A板和母材B板之间，其涂抹区域关于机械连接构件对称，用于和机械连接构件将母材A板和母材B板进行连接；所述汽车用异种材料连接结构通过上述任一项设计方法设计而成。作为上述方案的进一步改进，所述机械结构构件为铆钉，通过自冲铆接方法将母材A板和母材B板连接。作为上述方案的进一步改进，所述铆钉的铆接顺序为从薄板压入到厚板，从硬板压入到软板，从非金属板压入到金属板。作为上述方案的进一步改进，，所述自冲铆接方法通过SPR自冲铆接机进行铆接。作为上述方案的进一步改进，，所述结构胶层所使用的胶为车用结构胶。进一步地，所述母材A板和母材B板为铝合金-钢材或复合材料-钢材。本专利技术的汽车用异种材料连接结构，通过铆接+胶接的复合连接方法在不增加装置的情况下，利用现有的工艺设备实现异种材料的连接，通过结构胶层以及机械连接构件共同作用将母材A板和母材B板进行连接以此提高连接强度，同时改善部件的疲劳寿命和吸能特性。本专利技术的设计方法根据多材料车身技术路线确定材料类型和性能指标，运用多学科多目标优化设计方法进行连接结构的参数设计，通过材料性能试验评价连接性能，最后将连接设计应用至车身各部分，进而实现多材料车身轻量化设计。附图说明图1为本专利技术一种汽车用异种材料连接结构示意图；图2为本专利技术一种汽车用异种材料设计方法流程图；图3为本专利技术一种汽车用异种材料设计方法的多目标优化方法流程图；图4为本专利技术中材料的力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽车用异种材料连接结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法步骤如下：/n步骤一：异种材料类型与性能指标的确定：/n从整车车身结构性能出发，利用灵敏度分析方法，分别找出影响车身异种材料性能指标的关键部件；/n选择车身异种材料的性能指标，根据多材料车身技术路线，确定该关键部件的材料类型；/n步骤二：异种材料连接结构的连接性能设计：所述关键部件的材料类型和性能指标确定后，对异种材料的具体型号和结构参数进行确定和设计；/n以异种材料的结构参数为设计变量，异种材料的性能指标为约束和目标，以有限元仿真为驱动，以试验设计、近似模型的构建及精度检验和优化算法为核心的多目标优化方法来完成异种材料连接结构的连接性能确定；/n(1)试验设计/n设定母材A板的材料牌号为M

【技术特征摘要】
1.一种汽车用异种材料连接结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法步骤如下：
步骤一：异种材料类型与性能指标的确定：
从整车车身结构性能出发，利用灵敏度分析方法，分别找出影响车身异种材料性能指标的关键部件；
选择车身异种材料的性能指标，根据多材料车身技术路线，确定该关键部件的材料类型；
步骤二：异种材料连接结构的连接性能设计：所述关键部件的材料类型和性能指标确定后，对异种材料的具体型号和结构参数进行确定和设计；
以异种材料的结构参数为设计变量，异种材料的性能指标为约束和目标，以有限元仿真为驱动，以试验设计、近似模型的构建及精度检验和优化算法为核心的多目标优化方法来完成异种材料连接结构的连接性能确定；
(1)试验设计
设定母材A板的材料牌号为MA，母材B板的材料牌号为MB，结构胶层宽度为L，母材A板和母材B板厚度分别为TA和TB，即MA、MB、L、TA和TB为设计变量；
设定关联性能对应的异种材料性能为设计响应，所述关联性能为异种材料的弹性模量E，最大载荷P，平均载荷F，疲劳寿命N；根据车身不同模块的性能要求，以异种材料的结构参数MA、MB、L、TA和TB为设计变量，以异种材料的弹性模量E和最大载荷P为约束，以质量W、平均载荷F和疲劳寿命N为优化设计目标；
采用最优拉丁超立方设计方法生成60个样本点，通过有限元仿真得到各个样本点的响应值；
(2)近似模型的构建及精度检验
采用近似模型代替真实模型来预测未知处响应，并采用径向基函数拟合响应函数，利用样本数据构建径向基函数近似模型，生成10组样本数据；
采用统计量确定性系数和均方根误差评估近似模型和样本点之间的误差，其数学表达式如下：






其中，yi、分别是验证点响应的仿真值、对应近似模型预测值以及仿真值的平均值；R2为统计量确定性系数，RMSE为均方根误差；
当R2均大于0.9且RMSE低于0.1，表明构建的径向基函数近似模型的精度满足要求，从而代替有限元仿真用于后续的优化设计；
若不满足要求，增加样品点，重新进行试验设计；
(3)优化算法
所述多目标优化设计的数学模型为：



利用上述构建的径向基函数近似模型进行优化设计，采用改进非支配排序遗传算法对其进行优化求解，并将优化后的结果进行有限元仿真验证，若满足要求，由优化得到的优化解为异种材料连接结构性能设计的参数值；
若不满足要求，则优化设计变量和目标，重新进行试验设计；
步骤三：异种材料连接结构的连接性能评价：所述异种材料的结构参数经优化设计满足性能要求后，进行相应的实验测试来评价异种材料连接结构的连接性能，根据实验结果来评价异种材料连接结构的连接性能；
步骤四：连接设计应用整车车身：所述异种材料连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷先广，赵杰，张代胜，高梦琳，陈瑞，黄岳竹，
申请(专利权)人：合肥工业大学智能制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34