摘 要

汽车B柱做为汽车侧面碰撞的主要构件，既需要一定的强度抵抗冲击，又要有一定的塑性来缓冲吸能，因此用拼焊而成的不等强度的B柱可以很好地将两个需求融合到一起。本文运用汽车碰撞仿真分析软件HyperWorks和LS-DYNA对某车型的独立B柱进行碰撞分析。结果表明：当搅拌摩擦焊缝位置设计在距离B柱下端300mm处时，同质2024铝合金B柱在碰撞时的所受应力值和形变与非拼焊的B柱基本上一样，而7075和2024铝合金的异质拼焊B柱比另外两种结构的B柱具有更良好的形变和更低的应力值。然而发现如果固溶-冲压-淬火-时效的一体化新型热成形工艺，在固溶过程中铝合金搅拌摩擦焊接头会发生不同程度的AGG（晶粒异常长大）现象，影响焊缝处的抗疲劳性和强度。因此采取缩短固溶时间和降低固溶温度的方法进行一系列固溶热处理实验，探究一种最合适的固溶处理条件。实验结果表明：在固溶条件为495℃下10min和450℃下40min时，焊缝组织没有明显的AGG现象，且此条件下的焊接头具有良好的拉伸性能和硬度。并且在495℃下固溶10min得到的焊接头抗拉强度达到了365MPa，基本满足B柱的在碰撞过程中的强度要求。本文所得的固溶实验数据对控制2024铝合金搅拌摩擦焊接头的AGG现象具有一定的参考价值，部分不足的地方还需继续完善。

关键词：B柱；碰撞仿真；搅拌摩擦焊；晶粒异常长大

Abstract

The car B-pillar is the main component of the car's side impact. It requires a certain strength to resist the impact, but also has a certain plasticity to buffer and absorb energy.The needs are merged together. In this paper, the impact analysis of the independent B-pillar of a vehicle model is performed using HyperWorks and LS-DYNA. The results show that when the friction stir weld position is designed to be 300mm from the lower end of the B-pillar, the stress value and deformation of the homogenous 2024 aluminum alloy B-pillar during collision are basically the same as those of the non-welded B-pillar, and the 7075 and The heterobonded B-pillar of 2024 aluminum alloy has better deformation and lower stress value than the other two B-pillars. However, it was found that if a solid solution-stamping-quenching-aging integrated new thermoforming process, the aluminum alloy friction stir welding head in the solution process will have different degrees of AGG (grain abnormal growth) phenomenon, affecting the weld Fatigue resistance and strength. Therefore, a series of solution heat treatment experiments were carried out by shortening the solid solution time and lowering the solution temperature to explore a most appropriate solution treatment condition. The experimental results show that there is no obvious AGG phenomenon in the weld joint under the conditions of 495°C for 10min and 450°C for 40min, and the welding head under this condition has good tensile properties and hardness. The tensile strength of the welded joint obtained after solution treatment at 495°C for 10 min reached 365 MPa, which basically meets the strength requirements of the B-pillar during the collision process. The solid solution experimental data obtained in this paper has certain reference value for controlling the AGG phenomenon of friction stir welding joint of 2024 aluminum alloy. Some of the deficiencies need to be further improved.

Key Words：B-pillar；crash simulation；friction stir welding；abnormal grain growth

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 搅拌摩擦焊概述 7

1.2.1 搅拌摩擦焊焊接原理 7

1.2.2 搅拌摩擦焊接特点 8

1.3 国内外研究现状 9

1.3.1汽车B柱碰撞分析的发展与研究现状 9

1.3.2B柱碰撞仿真分析的研究进展 10

1.3.3铝合金搅拌摩擦焊的应用及焊缝组织的研究 11

1.3.4 焊接工艺参数对焊缝组织及力学性能的影响研究 11

1.3.5 焊后热处理对焊缝组织及力学性能的影响研究 12

1.4 课题研究内容和意义 12

1.4.1课题研究背景及意义 12

1.4.2课题研究内容 13

第2章 相关理论及研究方案 14

2.1 相关原理简介 14

2.1.1非线性有限元理论 14

2.1.2晶粒异常长大原理 15

2.2 B柱侧面碰撞的仿真方案 15

2.3 搅拌摩擦拼焊板成形性研究方案 15

2.3.1实验目的 16

2.3.2实验材料 16

2.3.2实验仪器 16

2.3.4实验流程 17

第3章 基于LS-DYNA和HyperWorks的B柱碰撞仿真 18

3.1 相关碰撞安全法规简介 18

3.1.1碰撞形式的技术规范 18

3.1.2移动变形壁障车的技术规范 19

3.1.3吸能块的技术规范 19

3.2相关软件简介 20

3.2.1HyperWorks软件简介 20

3.2.2 LS-DYNA软件简介 21

3.3基于HyperMesh的等效静态载荷分析 21

3.3.1 B柱有限元模型的建立 21

3.3.2 静态等效载荷理论 26

3.3.3 等效静态载荷的作用点 27

3.3.4 添加约束和载荷 28

3.3.5 静态模拟仿真数据分析 29

3.4 基于LS-DYNA和HyperWorks的动态仿真分析 30

3.4.1 移动变形壁障有限元模型的建立 30

3.4.2 碰撞有限元模型的建立 32

3.4.3 动态碰撞仿真数据分析 34

第4章 铝合金搅拌摩擦拼焊板的成形性研究 41

4.1 热处理工艺 41

4.1.1 固溶处理 41

4.1.2 淬火 42

4.1.3 时效处理 42

4.2 具体实验方案设计 42

4.2.1 热处理实验 43

4.2.2 金相组织观察实验 43

4.3 实验结果及分析 44

4.3.1 不同固溶条件下焊接头的微观组织 44

4.3.2 不同固溶条件下焊接头的热拉伸性能结果及分析 47

4.3.3 不同固溶条件下焊接头的硬度及分析 51

第5章 总结与展望 53

5.1 总结 53

5.2 展望 53

参考文献 54

致谢 56

第1章 绪论

1.1 引言

随着全世界科学技术水平的提高与进步，社会进入高速前进的时代，与此同时，生活节奏也相应地加快，人们希望花在出行路上的时间越少越好，因此对运载工具的速度有了新的要求。然而，汽车做为人们出行工具的重要选择之一，汽车的最高时速也在不断突破。在决定汽车最高行驶速度的众多因素中，汽车总质量通过增加或减小行驶阻力来影响汽车的最高速度。因此，通过实现汽车轻量化来减小汽车行驶过程中的阻力，从而提高汽车行驶的最大速度是现在汽车行业的重点研究方面^[1]。

目前为止，世界各企业研发中心、机构和高校对实现汽车轻量化的途径主要采取以下三种：采用轻量化材料、进行车身结构优化设计和应用先进的制造工艺。采用新型轻量化材料不仅可以降低汽车重量和实现节能减排,而且也可以降低汽车的研发成本。合理的车身结构可以最大的限度的使用汽车空间，使汽车紧凑但不缺乏稳定性。采用先进的工艺技术在实现轻量化的前提下还可以提高车身的安全性和耐久性。从近几年全球工业的发展来看，轻量化材料的使用已经是一种必然的趋势。汽车行业中轻量化材料的应用，也将是一种不可阻挡的趋势，轻量化材料慢慢取代传统钢材必然是近年汽车行业发展的重点方向，而先进的工艺技术也将不断促进轻量化材料的应用，使其应用范围更加广泛^[2]。