鉚釘材料對鉚接變形影響的有限元分析

李艷，于克杰，李小雷

(空軍第一航空學(xué)院航空修理工程系，河南信陽464000)

在飛機結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷搶修中，鉚接仍然是最主要的修理手段之一。當對受損飛機結(jié)構(gòu)件進行鉚接修理之前，需要選擇鉚釘材料。平時修理中一般要求選擇的鉚釘材料與鉚接件材料在力學(xué)性能方面應(yīng)彼此相當[1]。但在外場對受損飛機結(jié)構(gòu)實施搶修時，可能會因條件有限或爭取時間，修理人員就地取材，選擇比鉚接件材料強度高或低許多的鉚釘。當選擇與鉚接件材料強度相差比較大的鉚釘后，鉚釘材料的變化是否會影響鉚釘及鉚接件的變形程度，是否會影響鉚接修理的質(zhì)量，相關(guān)文獻[2－3]沒有進一步展開研究。為此，作者采用ANSYS/LS-DYNA軟件分析鉚釘材料對鉚接變形的影響，為鉚接修理方案的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 鉚接變形的有限元模型

1.1 有限元模型的建立

有限元建模中鉚釘和鉚接件的幾何尺寸如表1所示。鉚接件材料為鋁合金2024，鉚釘材料分別為2A10、2024 和7050，其材料參數(shù)如表2所示。沖頭和頂鐵是工具鋼，其材料彈性模量是鋁合金的近3倍，所以相對于鉚釘變形很小，視為剛體材料。基于鉚接件和鉚釘幾何形狀和載荷等邊界條件的對稱性，其鉚接變形可取1/4 進行模擬，網(wǎng)格劃分后的模型如圖1所示。計算模型中采用Solid164 六面體單元，鉚接變形件之間的接觸采用面－面自動接觸(ASTS)算法，摩擦因數(shù)設(shè)為0.2。

表1 鉚釘和鉚接件的幾何尺寸

表2 鉚釘和鉚接件的材料參數(shù)

圖1 劃分網(wǎng)格后的有限元模型

1.2 約束和載荷的施加

由于鉚接結(jié)構(gòu)建立的是對稱模型，所以需要分別對鉚釘、鉚接件、沖頭和頂鐵定義對稱邊界約束。鉚釘尺寸與鉚接件相比小得多，鉚接件遠端受鉚釘?shù)淖饔煤苄?，所以可認為鉚接件是無限域，但為減小工作量，在鉚接件邊界處施加非反射邊界條件。

鉚接過程的載荷主要來自于沖頭的向下移動，由于沖頭移動的時間－位移關(guān)系基本滿足正弦定律[2，4]，所以按照如圖2所示的規(guī)律設(shè)置沖頭的位移載荷。

圖2 沖頭時間－位移關(guān)系曲線

2 計算結(jié)果分析

2.1 不同鉚釘材料對應(yīng)力分布的影響

圖3是鉚釘材料為2024的鉚接變形應(yīng)力云圖。當把鉚釘材料分別改為2A10 和7050時，其鉚接變形的應(yīng)力分布規(guī)律與圖3相似。對于與鉚釘頭接觸的板件，其應(yīng)力最大部位是與鐓頭距離最近的孔邊;對于與鐓頭接觸的板件，其應(yīng)力最大部位是與鐓頭接觸的孔邊。不同的是，鉚釘和鉚接件嚴重受載部位的最大應(yīng)力值不一樣。對于鉚釘材料為7050的鉚接結(jié)構(gòu)，鉚釘和鉚接件嚴重受載部位的應(yīng)力值最大;鉚釘材料為2024的情況次之;鉚釘材料為2A10的情況最小。這些受力嚴重的部位將對鉚接品質(zhì)造成影響，可能會造成裂紋等損傷的出現(xiàn)。由于鉚釘材料為2A10時對這些受力嚴重部位的影響最小，所以造成鉚接件出現(xiàn)裂紋等損傷的概率也較小。

圖3 鉚接終了時的應(yīng)力云圖(鉚釘材料為2024)

2.2 不同鉚釘材料對應(yīng)變分布的影響

圖4是鉚釘材料為2024 所對應(yīng)鉚接終了時的塑性應(yīng)變圖。當把鉚釘材料分別改為2A10 和7050時，其鉚接塑性變形的分布規(guī)律與圖4相似，塑性應(yīng)變區(qū)域都是主要集中在鉚釘?shù)溺咁^，其塑性應(yīng)變區(qū)的分布情況與圓柱體鐓頭的難變形區(qū)、大變形區(qū)和小變形區(qū)[5－6]分布規(guī)律一樣，這說明鉚釘鐓頭形成過程與圓柱體鐓粗過程的變形原理相似。

圖4 鉚接終了時的塑性應(yīng)變圖(鉚釘材料為2024)

2.3 不同鉚釘材料對鉚孔徑向尺寸的影響

為了得到鉚接件鉚孔徑向尺寸的變化情況，在兩塊鉚接件鉚孔邊緣分別取編號為31 997、31 990、31 995、21 437 和21 487的5個節(jié)點，這些節(jié)點的具體位置如圖5所示。

圖5 鉚孔邊緣所選節(jié)點的分布情況

圖6是鉚釘材料分別為2024、2A10 和7050 所對應(yīng)的鉚接終了時鉚孔邊緣節(jié)點的徑向尺寸圖。由圖6可知:鉚孔在鉚接過程中被擴張，而且離鐓頭距離越近的孔徑，其位移增加的越多，反則越小;對于鉚釘與鉚接件均采用2024材料的情況，其鉚孔徑向尺寸在離鐓頭距離較近區(qū)域變化最大;鉚釘材料為7050的鉚孔徑向尺寸在離鉚釘頭距離較近區(qū)域變化最大;鉚釘材料為2A10的鉚孔徑向尺寸在整個鉚孔軸向方向的尺寸變化最小。

圖6 不同鉚釘材料對鉚孔徑向尺寸的影響

3 結(jié)論

在建立鉚接變形三維有限元模型的基礎(chǔ)上，分析了不同鉚釘材料對鉚接件的應(yīng)力應(yīng)變分布和鉚孔孔徑擴張的影響，得出了鉚釘和鉚接件的最大應(yīng)力和應(yīng)變主要集中在鉚釘鐓頭和鉚釘孔邊緣處的結(jié)論，但對于鉚釘材料強度比鉚接件小的情況，其對應(yīng)的最大應(yīng)力值最小，對鉚孔孔徑擴張的影響也最小。這說明采用比鉚接件強度小的鉚釘可有效減低裂紋等損傷出現(xiàn)的概率。

【1】代永朝，鄭立勝.飛機結(jié)構(gòu)檢修[M].北京:航空工業(yè)出版社，2006:58－59.

【2】劉平，張開富，李原.鉚接變形及其有限元分析[J].航空制造技術(shù)，2008(22):94－97.

【3】張洪雙.鉚接工藝參數(shù)分析[J].機械設(shè)計與制造，2011(6):241－243.

【4】BLANCHOT V，DAIDIE A.Riveted Assembly Modelling:Study and Numerical Characterisation of a Riveting Process[J].Journal of Journal of Materials Processing Technology，2006，180(1/2/3):201－209.

【5】王少剛，鄭勇，汪濤，等.工程材料與成形技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008:234－240.

【6】康永林，韓靜濤.固態(tài)成形工藝原理與控制[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008:106－111.