一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法与流程

1.本发明涉及复合材料仿真技术领域，尤其涉及一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法。


背景技术：

2.铆钉类电接触材料广泛应用于开关、继电器、接触器、小型断路器等领域。目前，各类功率电器均正在向轻量化、整体化和一体化方向发展，但由于技术上的限制，很难实现新结构的完全一体化，因此需要采用多种连接方式来实现结构件之间的连接。常用连接方式有焊接、螺接和铆接等，而铆接方式通常分为压铆和气动锤铆。
3.对功率继电器等来说，常采用的铆接方式为压铆，此类电器要求铆接件具备良好的导电性、较低的接触电阻及电寿命等，鉴于触点铆接质量是决定继电器工作性能及使用寿命的主要因素之一，因此触点铆接过程应力应变的研究将具有重要意义。
4.对于压铆铆接的成型原理以及工艺参数，国内外学者常用有限元仿真法，主要针对整体铆钉铆接进行受力变形分析，同时研究了不同干涉量对铆接质量的影响、压铆过程中干涉量的分布情况等，但是尚未对复合铆钉铆接过程及干涉量对铆接质量的影响做出相应研究。
5.目前，复合铆钉在铆接过程中出现的诸多问题，如铆接后复合铆钉与簧片间存在铆接缝隙、铆接后铆钉复合位置开裂等问题，直接影响了复合铆钉铆接后的质量，传统的分析方法已经无法模拟及解决复合铆钉及簧片在铆接成型过程中的复杂变形情况。因此，亟需一种新的铆接成型的分析方法能填补上述空白，为铆钉工艺参数设计提供可靠依据。


技术实现要素：

6.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，能够实现全新的铆钉铆接受力分析方式，精准模拟铆钉铆接成型过程中的受力情况。
7.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，所述方法包括以下步骤：
8.建立包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片的铆钉模拟仿真几何模型，并对所述铆钉模拟仿真几何模型中的上模具及下模具进行装配；
9.将配合好的铆钉模拟仿真几何模型进行格式转换；
10.在格式转换后的铆钉模拟仿真几何模型中，引入电磁感应电流，且将电磁感应加热作用于上模具、下模具及复合铆钉并设置感应加热参数，进一步根据复合铆钉和铆接簧片之间的连接工艺，对复合铆钉及铆接簧片网格划分后进行有限元分析，以得到铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析数据，以及模具冲程及受力分析数据。
11.其中，所述铆钉模拟仿真几何模型中的上模具及下模具通过solidworks中的工具
为同轴心或重合进行装配。
12.其中，所述感应加热参数包括感应加热电流、感应加热频率、线圈横截面积、线圈圈数、电流方向和导线界面形状；其中，所述感应加热电流为交变电流，所述感应加热频率所产生的温度低于所述复合铆钉的本身熔点。
13.其中，所述复合铆钉有限元分析的对象是由复合料段镦粗至复合铆钉；其中，所述复合料段包括ag-cu、agsno
2-cu、agni-cu、agcdo-cu复合料段。
14.其中，所述固定筒内设用于铆接完成后自动回弹固定筒的负载弹簧；其中，所述负载弹簧的初始化参数包括负载方向、负载类型、初始力和弹簧刚度。
15.其中，所述复合铆钉和铆接簧片之间的连接工艺为冲压铆接的机械连接工艺。
16.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
17.1、本发明通过电磁效应中交变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场，出现涡旋电流，推动导体中载流子运动(其中焦耳热效应使导体升温)，因此利用磁-力交互作用可实现复合铆钉的温控及应力应变分析，为复合铆钉铆接变形、铆钉与簧片间结合提供一定变形余量，可有效降低铆接过程中的开裂风险；
18.2、本发明针对实际铆钉铆接过程中出现的铆钉模具试做耗时较长、模具尺寸不匹配问题，通过软件建模来自由切换铆接模具参数，以实现铆钉精准、快速成型，可大量解决试错成本；
19.3、本发明实现铆钉铆接过程中应力应变的计算，为铆钉铆接后变形控制提供一定的技术理论，为铆接工艺参数设计提供可靠依据；
20.4、本发明的模拟仿真高效便捷，可节省大量人力物力，适用于多类型铆钉铆接成型，且模拟结果精准可靠。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
22.图1为本发明实施例提供的一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法的流程图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
24.如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，所述方法包括以下步骤：
25.步骤s1、建立包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片的铆钉模拟仿真几何模型，并对所述铆钉模拟仿真几何模型中的上模具及下模具进行装配；
26.步骤s2、将配合好的铆钉模拟仿真几何模型进行格式转换；
27.步骤s3、在格式转换后的铆钉模拟仿真几何模型中，引入电磁感应电流，且将电磁
感应加热作用于上模具、下模具及复合铆钉并设置感应加热参数，进一步根据复合铆钉和铆接簧片之间的连接工艺，对复合铆钉及铆接簧片网格划分后进行有限元分析，以得到铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析数据，以及模具冲程及受力分析数据。
28.具体过程为，在步骤s1中，首先，在建立铆钉模拟仿真几何模型时，选用三维cad软件solidworks、autocad、pro/e等或选用带有建模功能的cae软件abaqus、ansys等。此时，该铆钉模拟仿真几何模型装配部件包括但不限于上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片。
29.然后，需对上、下模具进行装配，可利用solidworks中同轴心、重合等工具将上下模具对齐并装配。
30.应当说明的是，上模具位于固定筒内，直径略小于固定筒，确保上模具运动过程中不会发生倾斜；固定筒内设用于铆接完成后自动回弹固定筒的负载弹簧，确保铆接完成后固定筒自动回弹；其中，负载弹簧的初始化参数包括负载方向、负载类型、初始力和弹簧刚度等。
31.在步骤s2中，将装配好的铆钉模拟仿真几何模型*sldprt文件转换为*step或*stl文件，此时三维cad转换软件可选用solidworks、autocad等。
32.在步骤s3中，在步骤s2格式转换后的铆钉模拟仿真几何模型中，引入电磁感应电流，通过插入simufact forming或deform仿真软件中自带的电磁条件，选择电磁感应加热作用于上模具、下模具及复合铆钉而不作用于铆接簧片；
33.然后设置感应加热参数包括：感应加热电流、感应加热频率、线圈横截面积、线圈圈数、电流方向、导线界面形状等参数；其中，感应加热电流为交变电流；感应加热频率所产生的温度低于复合铆钉的本身熔点，仅能为铆钉铆接过程提供一定热能，以保证变形量。
34.接着，导入simufact forming或deform仿真软件中，按实际需要数量对铆接簧片及复合铆钉进行有限元网格划分并进行有限元模拟分析。此时，需将上、下模具与已划分网格复合铆钉及铆接簧片进行定位配合，定位配合软件包括simufact forming、solidworks等。应当说明的是，铆接簧片数量及厚度可根据实际需求定义(1-5个簧片)；复合铆钉有限元分析的对象是由复合料段镦粗至复合铆钉；其中，复合料段包括ag-cu、agsno
2-cu、agni-cu、agcdo-cu复合料段。
35.可以理解的是，在有限元模拟分析过程中，需设置模拟类型和分析参数对铆钉铆接进行模拟，该模拟类型为机械连接且基本工艺为冲压铆接，该分析参数包括复合铆钉及铆接簧片中材料的化学成分、力学性能、流变曲线等；以及，设置上、下模具冲程，可根据实际需要铆钉铆接后钉脚长度自行设置仿真结束后上下模具间距离。
36.最后，仿真分析的数据用于铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析，以及模具冲程及受力分析。
37.在一个例子中，步骤1：采用solidworks建模软件建立铆钉模拟仿真几何模型，三维cad软件选用solidworks，带有建模功能的cae软件可选用abaqus；几何模型装配部件包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片；建模完成后，并利用同轴心、重合等工具对上、下模具进行装配、定位。
38.步骤2：将配合好的几何模型转换为*step文件。
39.步骤3：引入感应电流，通过参数设置实现电流控制、然后对复合铆钉及铆接簧片
网格划分并进行有限元分析。
40.首先需为上、下模具及复合铆钉，引入感应电流，通过插入simufact forming仿真软件中自带的电磁条件，选择电磁感应加热，然后设置感应电流为2a、感应频率为2hz、线圈横截面积为3mm3、线圈圈数为5圈、电流方向正向、导线界面形状为正方形；以上电磁设置不作用于铆接簧片且感应电流类型为交变电流，通过产生焦耳热为复合铆钉及模具提供热能。
41.其次设置复合铆钉及铆接簧片的模拟类型为机械连接，基本工艺为冲压成型；将完成配合的几何模型导入具备仿真功能的软件中，设置复合铆钉中agmeo部分为agsno2，有限元网格划分数量为3230，抗拉强度为328mpa，电导率设置为2.3μω
·
cm，密度为9.8g/cm3；cu部分有限元网格划分数量为9985，抗拉强度为425mpa，电导率设置为2.5μω
·
cm，密度为9.80g/cm3；铆接簧片数量为1个，簧片厚度为3mm，材料选用紫铜，整体尺寸为10
×
30mm，有限元网格划分数量为8850；固定筒负载弹簧初始方向为-z，卸载类型为“释放”，初始力为100n。
42.完成操作后，设置模具冲程为5cm，仿真结束后上下模具间距离为2cm；完成设置，开始模拟仿真，使得有限元分析后得到的数据用于进行铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析、模具冲程及受力分析。
43.在另一个例子中，步骤1：采用autocad建模软件建立铆钉模拟仿真几何模型，三维cad软件可选用autocad，带有建模功能的cae软件可选用ansys；几何模型装配部件包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片；建模完成后，并利用同轴心、重合等工具对上、下模具进行装配、定位。
44.步骤2：将配合好的几何模型转换为*stl文件。
45.步骤3：引入感应电流，通过参数设置实现电流控制、然后对复合铆钉及铆接簧片网格划分并进行有限元分析。
46.首先需为上、下模具及复合铆钉，引入感应电流，通过插入simufact forming仿真软件中自带的电磁条件，选择电磁感应加热，然后设置感应电流为1a、感应频率为3hz、线圈横截面积为5mm3、线圈圈数为8圈、电流方向为反转电流方向、导线界面形状为正方形；以上电磁设置不作用于铆接簧片且感应电流类型为交变电流，通过产生焦耳热为复合铆钉及模具提供热能。
47.其次设置复合铆钉及铆接簧片的模拟类型为机械连接，基本工艺为冲压成型；将完成配合的几何模型导入具备仿真功能的软件中，设置复合铆钉中agmeo部分为agcdo，有限元网格划分数量为2850，抗拉强度为305mpa，电导率设置为2.1ω
·
cm，密度为9.85g/cm3；cu部分有限元网格划分数量为10958，抗拉强度为415mpa，电导率设置为3.2ω
·
cm，密度为9.83g/cm3；铆接簧片数量为2个，簧片厚度均为3mm，材料选用紫铜，整体尺寸为20
×
20mm，有限元网格划分数量分别为3250及5846；固定筒负载弹簧初始方向为-z，卸载类型为“释放”，初始力为200n。
48.完成操作后，设置模具冲程为8cm，仿真结束后上下模具间距离为3cm；完成设置，开始模拟仿真，使得有限元分析后得到的数据用于进行铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析、模具冲程及受力分析。
49.在又一个例子中，步骤1：采用autocad建模软件建立铆钉模拟仿真几何模型，三维
cad软件可选用autocad，带有建模功能的cae软件可选用ansys；几何模型装配部件包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片；建模完成后，并利用同轴心、重合等工具对上、下模具进行装配、定位。
50.步骤2：将配合好的几何模型转换为*stl文件。
51.步骤3：引入感应电流，通过参数设置实现电流控制、然后对复合铆钉及铆接簧片网格划分并进行有限元分析。
52.首先需为上、下模具及复合铆钉，引入感应电流，通过插入deform仿真软件中自带的电磁条件，选择电磁感应加热，然后设置感应电流为3a、感应频率为1hz、线圈横截面积为1mm3、线圈圈数为6圈、电流方向正向、导线界面形状为圆形；以上电磁设置不作用于铆接簧片且感应电流类型为交变电流，通过产生焦耳热为复合铆钉及模具提供热能。
53.设置复合铆钉及铆接簧片的模拟类型为机械连接，基本工艺为冲压成型；将完成配合的几何模型导入具备仿真功能的软件中，设置复合铆钉中agmeo部分为agni，有限元网格划分数量为3358，抗拉强度为422mpa，电导率设置为2.88ω
·
cm，密度为10.05g/cm3；cu部分有限元网格划分数量为12580，抗拉强度为408mpa，电导率设置为2.34ω
·
cm，密度为9.85g/cm3；铆接簧片数量为3个，簧片厚度均为1mm，材料选用紫铜，整体尺寸为10
×
30mm，有限元网格划分数量分别为3325、2296及3280；固定筒负载弹簧初始方向为-z，卸载类型为“释放”，初始力为150n。
54.完成操作后，设置模具冲程为9cm，仿真结束后上下模具间距离为3cm；完成设置，开始模拟仿真，使得有限元分析后得到的数据用于进行铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析、模具冲程及受力分析。
55.通过任一亲和度高的前处理软件建立铆钉计算几何模型，都能便捷的控制网格质量及网格密度，为铆钉铆接有限元模拟的顺利进行提供必要条件。本实施例中采用的有限元网格剖分软件能够将模型信息稳定可靠地保留，不会出现紊乱状况。本发明实施例中，通过获取铆接后复合铆钉及铆接簧片应力应变分析结果能有效的实现对铆钉铆接变形参数的控制，并根据模拟数据对实际铆钉铆接参数作出进一步的调整。
56.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
57.1、本发明通过电磁效应中交变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场，出现涡旋电流，推动导体中载流子运动(其中焦耳热效应使导体升温)，因此利用磁-力交互作用可实现复合铆钉的温控及应力应变分析，为复合铆钉铆接变形、铆钉与簧片间结合提供一定变形余量，可有效降低铆接过程中的开裂风险；
58.2、本发明针对实际铆钉铆接过程中出现的铆钉模具试做耗时较长、模具尺寸不匹配问题，通过软件建模来自由切换铆接模具参数，以实现铆钉精准、快速成型，可大量解决试错成本；
59.3、本发明实现铆钉铆接过程中应力应变的计算，为铆钉铆接后变形控制提供一定的技术理论，为铆接工艺参数设计提供可靠依据；
60.4、本发明的模拟仿真高效便捷，可节省大量人力物力，适用于多类型铆钉铆接成型，且模拟结果精准可靠。
61.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，
所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
62.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：建立包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片的铆钉模拟仿真几何模型，并对所述铆钉模拟仿真几何模型中的上模具及下模具进行装配；将配合好的铆钉模拟仿真几何模型进行格式转换；在格式转换后的铆钉模拟仿真几何模型中，引入电磁感应电流，且将电磁感应加热作用于上模具、下模具及复合铆钉并设置感应加热参数，进一步根据复合铆钉和铆接簧片之间的连接工艺，对复合铆钉及铆接簧片网格划分后进行有限元分析，以得到铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析数据，以及模具冲程及受力分析数据。2.如权利要求1所述的磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，其特征在于，所述铆钉模拟仿真几何模型中的上模具及下模具通过solidworks中的工具为同轴心或重合进行装配。3.如权利要求1所述的磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，其特征在于，所述感应加热参数包括感应加热电流、感应加热频率、线圈横截面积、线圈圈数、电流方向和导线界面形状；其中，所述感应加热电流为交变电流，所述感应加热频率所产生的温度低于所述复合铆钉的本身熔点。4.如权利要求1所述的磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，其特征在于，所述复合铆钉有限元分析的对象是由复合料段镦粗至复合铆钉；其中，所述复合料段包括ag-cu、agsno
2-cu、agni-cu、agcdo-cu复合料段。5.如权利要求4所述的磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，其特征在于，所述固定筒内设用于铆接完成后自动回弹固定筒的负载弹簧；其中，所述负载弹簧的初始化参数包括负载方向、负载类型、初始力和弹簧刚度。6.如权利要求1所述的磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，其特征在于，所述复合铆钉和铆接簧片之间的连接工艺为冲压铆接的机械连接工艺。

技术总结
本发明提供一种磁-力交互多物理场复合电接触材料铆接有限元模拟方法，包括建立包括上模具、下模具、复合铆钉、固定筒及铆接簧片的铆钉模拟仿真几何模型，并对几何模型中的上模具及下模具进行装配；将配合好的几何模型进行格式转换；在格式转换后的几何模型中，引入电磁感应电流，且将电磁感应加热作用于上模具、下模具及复合铆钉并设置感应加热参数，进一步根据复合铆钉和铆接簧片之间的连接工艺，对复合铆钉及铆接簧片网格划分后进行有限元分析，以得到铆接后复合铆钉及铆接簧片的应力应变分析数据，以及模具冲程及受力分析数据。实施本发明，能够实现全新的铆钉铆接受力分析方式，精准模拟铆钉铆接成型过程中的受力情况。精准模拟铆钉铆接成型过程中的受力情况。精准模拟铆钉铆接成型过程中的受力情况。


技术研发人员：游义博 颜小芳 柏小平 李杰 陈杨方 杨光 马四平 刘映飞 林万焕
受保护的技术使用者：浙江福达合金材料科技有限公司
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/9/11