cienkościennych obciąŜonych udarowo
Paweł Kaczyński1
Streszczenie: W pracy skupiono się na analizie moŜliwości zastosowania połączeń przetłaczanych (ang. clinching) do łączenia profili cienkościennych, rozpatrując przy tym aspekty wytrzymałości połączenia oraz jego wpływ na energochłonność konstrukcji. Pod rozwagę poddano moŜliwość utworzenia modelu zastępczego połączenia przetłaczanego, którego wykorzystanie na etapie budowy modelu dyskretnego gwarantowałoby jego uproszczenie i skrócenie czasu analizy numerycznej, zachowując przy tym zgodność wyników z rzeczywistym doświadczeniem.
Słowa kluczowe: MES, profile cienkościenne, obciąŜenia udarowe
1. Wprowadzenie
Elementy cienkościenne są najczęściej stosowanymi elementami konstrukcyjnymi w ustrojach nośnych pojazdów samochodowych, ale takŜe w innych dziedzinach przemysłu. Zgrzewanie punktowe jest, z powodu jego wieloletniego zastosowania i ciągłego rozwoju, nadal najszerzej rozpowszechnioną technologią łączenia cienkościennych elementów z blach i kształtowników. Technologia ta, mimo wielu zalet takich jak łatwość automatyzacji, stwarza wiele trudności technologicznych. NajwaŜniejsze spośród nich to:
- problem przy łączeniu materiałów z pokryciami ochronnymi metalicznymi oraz z powłokami niemetalicznymi takimi jak pokrycia ceramiczne wykazujące duŜą oporność elektryczną,
- stosowanie materiałów róŜnoimiennych na elementy konstrukcyjne, - oddziaływanie termiczne na łączone materiały, powodujące rozrost
ziaren w strefie wpływu ciepła i pogorszenie własności mechanicznych.
Jest ono szczególnie niekorzystne przy nowoczesnych stalach o wysokiej granicy plastyczności typu HSS (High Strength Steel) oraz AHSS (Advanced High Strength Steel).
1 Politechnika Wrocławska, WybrzeŜe Wyspiańskiego 27, pawel.kaczynski@pwr.wroc.pl
Istnieje wiele innych przesłanek za wykorzystaniem metod łączenia innych niŜ zgrzewanie. W przemyśle samochodowym najwaŜniejszą spośród nich jest stale rosnący udział stali o podwyŜszonej wytrzymałości i stali superwytrzymałych (rys. 1).
Rys. 1. Stale stosowane w przemyśle samochodowym
Udział tego rodzaju materiałów w budowie ustrojów nośnych pojazdów wynosił w Polsce w 1991 roku około 10%, w roku 1998 wzrósł do 30%, zaś w 2002 roku osiągnął poziom 65% [4].
Ich zastosowanie pozwala na redukcję grubości stosowanych profili przy jednoczesnym zachowaniu dotychczasowych własności wytrzymałościowych. Zabieg ten umoŜliwia redukcję masy własnej pojazdu, co pozwala na zmniejszenie zuŜycia paliwa.
2. Łączenie za pomocą przetłaczania
Z powodu ograniczeń dotychczas stosowanych połączeń technologowie zmuszeni są do poszukiwania alternatywnych metod łączenia materiałów jak np. przetłaczanie (ang. clinching). Metoda ta polega na mechanicznym odkształceniu dwóch blach przy uŜyciu stempla i matrycy jak pokazano na rys 2.
Rys. 2. Proces tworzenia połączeń przetłaczanych
Mimo wielu niewątpliwych zalet jak niskie koszty narzędzi, stosunkowo niskie siły łączenia, korzystny wygląd połączenia i moŜliwość
automatyzacji procesu oraz braku wad połączeń zgrzewanych (pogarszanie własności mechanicznych w strefie wpływu ciepła), technika ta nie jest dokładnie zbadana. Zgrzeiny punktowe nie wykazują, podczas badań elementów energochłonnych na młocie spadowym, skłonności do niszczenia, a profile połączone za pomocą tej metody nie ulegają wyboczeniu. Tendencję tą potwierdził w pracy [2] dr Kopczyński.
W przypadku połączeń klinczowych naleŜy rozwaŜyć moŜliwość rozdzielenia złącza i zastanowić się nad przyczynami tego zjawiska.
W literaturze zagranicznej istnieje szereg prac poświęconych temu zagadnieniu [1, 5]. W pracy [3] dr Polak doszedł do wniosku, Ŝe główną przyczyną rozwarstwiania się klinczowanych elementów cienkościennych moŜe być niewystarczająca wytrzymałość złącz.
4. Wykorzystanie metod numerycznych
Ze względu na czasochłonność badań połączeń naleŜy rozwaŜyć wykorzystanie metod numerycznych do przeprowadzenia wirtualnych badań na modelach matematycznych. Jak wcześniej wspomniano, materiał połączony za pomocą połączeń klinczowych moŜe podczas dynamicznego zgniatania ulec rozerwaniu. NaleŜy opracować model połączenia, uwzględniający to zjawisko. PoniewaŜ złącze moŜe zostać zniszczone na dwa sposoby (rys. 2), tj. przez ścięcie i rozłączenie model matematyczny połączenia powinien umoŜliwić wprowadzenie sił w dwóch róŜnych kierunkach powodujących jego niszczenie. Opracowany model pozwoli na skrócenie czasu modelowania i obliczeń oraz wykonanie wielu crash-testów. Wynikiem obliczeń będzie uzyskanie minimalnych wartości sił jakie musi przenieść połączenie, aby cała próbka podczas obciąŜenia udarowego symulującego zderzenie samochodu z przeszkodą zgniotła się w sposób poprawny, bez globalnego wyboczenia.
Rys. 2. Testy złącz przetłaczanych; a) test krzyŜowy b) test na ścinanie
Uniwersalność opisanego algorytmu polega na tym, iŜ do wstępnych obliczeń nie jest potrzebna wiedza o technologii wykonania połączenia (połączenia zgrzewane, klejone przetłaczane narzędziami okrągłymi i prostokątnymi). Dobranie technologii wykonania złącza jest kolejnym
a) b)
etapem. Polega on na wyborze kształtu złącza, średnicy stempla i matrycy oraz głębokości przetłoczenia. Kryterium doboru tych parametrów jest przeniesienie przez złącze obliczonych uprzednio sił.
5. Wnioski
Utworzony model matematyczny ma za zadanie uprościć modelowanie połączeń profili cienkościennych. Pozwoli on ponadto na skrócenie czasu potrzebnego na wykonanie analizy numerycznej, a w konsekwencji na przeprowadzenie znacznie większej ilości eksperymentów niŜ w przypadku tradycyjnego eksperymentu. Wyniki uzyskane na drodze rzeczywistego eksperymentu i analizy numerycznej powinny być ze sobą skonfrontowane w celu wykluczenia błędu grubego w modelu matematycznym złącza. W przypadku uzyskania zgodności, świadczącej
o poprawnie utworzonym modelu złącza, moŜna przystąpić do analizy uzyskanych wyników.
Opracowany model pozwoli na wielokrotnie szybsze wykonywanie analizy bez konieczności przeprowadzania rzeczywistego eksperymentu i wnioskowanie na podstawie jej wyników.
Literatura
[1] M. Carboni, S. Beretta, M. Monno, Fatigue behaviour of tensile-shear loaded clinched joints, Engineering Fracture Mechanics Volume 73 Issue 2 January 2006 p. 178-190
[2] A. Kopczyński, Model pochłaniania energii przez profile cienkościenne połączone zgrzeinami punktowymi, Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, praca doktorska
[3] S. Polak, Zastosowanie metod przetłaczania do łączenia profili
cienkościennych absorbujących energię podczas zderzenia, Politechnika Wrocławska, Wydział Mechanicznych, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, praca doktorska
[4] A. Ulewski, Analiza doboru parametrów geometrycznych I technologii połączenia cienkościennych profile podłuŜnic w samochodach
osobowych, Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Wrocław 2006
[5] J. P. Varis, The suitability of clinching as a joining method for high-strength structural steel, Journal of Materials Processing Technology, Volume 132 Issue 1-3 January 2003 p. 242-249