Verification of numerical modelling of the SPR joint by experimentul stack-up

• Autorzy: Cacko R , Czyżewski P.

Warianty tytułu

PL

Numeryczne i eksperymentalne badanie tworzenia i obciążania połączeń nitowanychbezotworowo - SPR

• Konferencja: 14th KomPlasTech Conference, Zakopane, January 14-17, 2007
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In recent years self-piercing riveting (SPR) technique became one of the most promising, especially in the automotive industry, for joining different materials, mainly because of lack of several limitations traditionally associated with most widely used spot-welding. Self – piercing riveted joints also differ significantly from other types of riveted joints such as those used in aircraft structures owing to the manner in which the joint is produced. In self-piercing riveting, a tubular rivet made usually from a high-strength steel alloy is forced through a pair of partially overlapping sheets that are supported by a circular die with an axisymmetric cavity. Although SPR is already applied by the industry with success, there is still lack of precise design criteria to obtain optimal strength of the joint. This fact limits this technology to be used more often. To have optimum strength of any SPR joint type (various materials, sheet thickness etc.) a set of analysis tools are needed. One is widely verified numerical model and other is experimental tolling allow to quickly join any shape. In Department of Metal Forming Warsaw University of Technology there are some projects carried out related with the SPR process. They are two directions specified: traditional (macro) technology and application of SPR in microforming area. After several trails of numerical modeling of both forming and loading different SPR joints the authors specified a general guidelines to carry out numerical simulaton of the SPR with a success. Now, a design of original experimental tools is verified. Both, forming a joint and its strength became aims of FEM simulation as the most promising tool to analyse various aspects of the joint development. The mechanical response of a self-piercing riveted joint is determined by both the residual stresses after the piercing operation and the stress and displacement fields induced by the applied loads. In this paper three-dimensional finite element analysis of riveted joints is performed to evaluate the load – induced local mechanical behavior and response features measured in the laboratory. To consider residual stresses due to piercing two-dimensional analysis of joining process giving information of stress/strain field existing around a joint are performed. First, 2D axisymmetrical FEM model is analysed to obtain SPR joint. Then stress/strain field got from 2D simulation is superimposed on 3D FEM model to analyze strength of a joint by loading in standard test schedule. Finally, experiments on originally designed tool stack – up are carried out. The shape of a joint, force flow during joint formation and force flow during loading a jont are compared between FEM simulations and experiments. Numerical simulation of both forming SPR joint and modeling of loading/strength of a joint are performed with commercial software MSC.Marc and MSC.SuperForm based on the FEM. Two sets od dies and thickness of material to be joint were chosen for verification. Finally, comparison of the results of numerical simulations and experimets are presented.

PL

W ostatnich latach nitowanie bezotworowe - self-piercing riveting (SPR) - staje się bardzo obiecującą techniką, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym, do łączenia blach z różnych materiałów. Jego atrakcyjność wynika głównie z powodu braku ograniczeń tradycyjnie związanych z najczęściej stosowanym do łączenia elementów cienkich zgrzewaniem punktowym. Przy zachowaniu cech tradycyjnego nitowania metoda SPR wyróżnia się sposobem powstawania połączenia. W nitowaniu bezotwo-rowym nit o specjalnym kształcie, zwykle ze stali lub stopów aluminium, jest wciskany w dwie - lub więcej - częściowo zachodzące na siebie warstwy. Do uzyskania połączenia jest ponadto wymagana matryca o specjalnie zaprojektowanym profilu, w który wpływa materiał łączonych blach i odkształcanego nitu. Odpowiednie dopasowanie kształtu matrycy do grubości blach, kształtu nitu oraz rodzaju materiałów stanowi największy problem w optymalizacji jakości połączenia. Chociaż metoda SPR jest już stosowana w przemyśle z częściowym sukcesem, wciąż brak jest jednoznacznych kryteriów projektowych, które umożliwiałyby w miarę szybkie optymalne projektowanie połączeń oraz pełniejsze wykorzystanie potencjału metody. W Zakładzie Obróbki Plastycznej Instytutu Technologii Materiałowych Politechniki Warszawskiej określono dwa kierunki badań metody SPR mające na celu zastosowanie modelowania numerycznego do określenia głównych czynników wpływających na optymalną wytrzymałość połączenia, oraz zaproponowanie modyfikacji nitowania bezotworowego do tworzenia mikropołączeń. Możliwości modelowania kształtowania połączenia jak i oceny jego wytrzymałości na drodze symulacji komputerowych zostały przez autorów wstępnie przetestowane. Obecnie poddano weryfikacji oryginalnie zaprojektowane stanowisko badawcze do wykonywania połączeń SPR. Wytrzymałość połączenia SPR jest związana z polem naprężeń pozostałym w strefie wokół połączenia po procesie kształtowania. W poniższej pracy przestawiono wybrane wyniki trójwymiarowego modelowania obciążania połączeń i porównania wyników symulacji z wynikami badań laboratoryjnych dla wybranych zestawów. W celu uwzględnienia stanu naprężeń w modelu MES powstałego po procesie nitowania przeprowadzono symulacje numeryczne osiowosymetrycznego modelu 2D. Następnie stan odkształceń/naprężeń został przeniesiony za pomocą specjalnej procedury do modelu trójwymiarowego. W dalszej kolejności poddano obciążaniu połączenia według jednego ze standardowych testów. Porównywano kształt połączeń oraz przebiegi sił podczas nitowania i obciążania połączeń uzyskane na drodze symulacji i z testów laboratoryjnych. Do obliczeń numerycznych wykorzystano komercyjne oprogramowanie firmy MSC - MSC.Marc i MSC.SuperForm - oparte na metodzie elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

self-piercing riveting; SPR; FEM modelling; strength of SPR joint

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 7, No. 1
• Strony: 124--129
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Cacko R

autor

Czyżewski P.

• Institute of Materials Processing, Warsaw University of Technology Narbutta 85, 02-524 Warszawa, Poland

Bibliografia

• Abea, Y., Kato, T., Mori, K., 2006, Joinability of aluminium alloy and mild steel sheets by self piercing rivet, J. Mat. Proc. Techn., 177,417-421.
• Barnes, T.A., Pashby, I.R., 2000, Joining techniąues for aluminium spaceframes used in automobiles. Part II - adhesive bonding and mechanical fasteners, J. Mat. Proc. Techn., 99, 72-79.
• Cacko, R., Czyżewski, P., Kocańda, A., 2004, Initial Optimiza-tion of Self-Piercing Riveting Process by Means of FEM, Steel Grips, 2, Suppl. Metal Forming 2004, 307-310.
• Cacko R., Czyżewski P., 2005a, The method of self-piercing riveting (SPR) modelling, Proc. KomPlasTech 2005 Conf., Ustroń, eds, Piela, A., Lisok, J., Grosman, F., 73-81 (inPolish).
• Cacko R., Czyżewski P., 2005b, Numerical modelling of forming and loading SPR joints, Przegląd Mechaniczny, 7-8, 50-53 (in Polish).
• Li, B., Fatemi, A., 2006, An experimental investigation of deformation and fatigue behaviour of coach peel riveted joints, Int. J. of Fatigue, 28, 9-18.
• Maofeng, Fu, Mallick, P.K., 2003, Fatigue of self-piercing riveted joints in aluminium alloy 6111, Int. J. of Fatigue, 25, 183-189.
• Neugebauer, R., Mauermann, R., Dietrich, S., 2000, Spot-Joining - New Technologies in the Field of Joining by Forming, Advanced Technology of Plasticity, Vol. 2,41-51.
• Porcaro, R., Hanssen, A.G., Langseth, M., Aalberg A., 2006, Self-piercing riveting process: An experimental and numerical investigation, J. Mat. Proc. Techn., 171, 10-20.
• Sun, X., Khaleel, M.A., 2005, Strength estimation of self-piercing rivets using lower bound limit load analysis, Science and Technology of Welding and Joining, 10, 624-535.
• Wayne Cai, P.C. Wang, Wu Yang, 2005, Assembly dimensional prediction for self-piercing riveted aluminium panels, Int. J. of Machine Tools & Manufacture, 45, 695- 704.