基于ABAQUS二次開發(fā)的錘鉚變形分析

姜春英，殷思羽，魯墨武，奚風豐

（1.沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.威爾森大學航空航天工程系，加拿大 多倫多 M5BK3）

1 引言

在飛機裝配技術(shù)中，飛機蒙皮裝配大多采用鉚接連接方式。在現(xiàn)代飛機鉚接技術(shù)中，通常采用人工錘鉚，受鉚接件結(jié)構(gòu)的約束，一般采用反鉚法。機器人鉚接系統(tǒng)越來越受國內(nèi)外學者及機構(gòu)的關(guān)注[1-2]，氣動鉚槍與工業(yè)機器人結(jié)合能夠代替人工實現(xiàn)機器人鉚接。

飛機蒙皮鉚接質(zhì)量直接影響飛機的工作性能，提高鉚接質(zhì)量是航空制造技術(shù)必然的發(fā)展趨勢。針對不同的鉚接方法采用不同的工藝，獲得的鉚接質(zhì)量也不同。目前國內(nèi)外學者對壓鉚做了大量研究，文獻[3]研究了壓鉚力和墩頭尺寸之間的關(guān)系，認為墩頭直徑和高度可用于評估壓鉚力對鉚接質(zhì)量和接頭疲勞特性的影響。文獻[4]采用abaqus有限元法，對壓鉚鉚釘不同位置變形時的應變率差異的影響進行研究。文獻[5]針對無頭鉚釘壓鉚過程，結(jié)合主應力法和冪指數(shù)硬化理論，構(gòu)建了壓鉚力與墩頭尺寸之間的力學模型，并通過模擬結(jié)果進行驗證。文獻[6]采用理論分析和數(shù)值分析相結(jié)合的方式，系統(tǒng)地分析了壓鉚過程應力應變情況；借助于ANSYS/LS-DYNA模擬壓鉚過程，得到鉚釘和鉚接件的應力應變分布情況和變化規(guī)律。但對錘鉚，尤其是機器人錘鉚還少有研究，文獻[7]通過建立動力學模型和仿真，研究了鉚槍輸入氣壓和錘鉚時間對鉚釘變形量的影響，并通過實驗驗證仿真的有效性。文獻[8]研究了鉚槍輸入氣壓和錘鉚時間與鉚釘墩頭尺寸的關(guān)系，建立了錘鉚自動仿真程序，通過比較的方法，以標準墩頭尺寸和最少錘鉚時間為目標，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，并通過實驗驗證仿真的正確性。文獻[9]建立了氣動鉚槍的運動學模型，采用ABAQUS對錘鉚過程進行有限元分析，并進行實驗驗證仿真的可行性，結(jié)果表明，鉚槍的輸入氣壓及鉚接時間是影響錘鉚工藝的關(guān)鍵因素。文獻[2]針對可實現(xiàn)反鉚的機器人沖擊鉚接系統(tǒng)的工藝順序、工藝參數(shù)、工藝工具、工藝控制進行了研究。廣泛的研究表明，國內(nèi)外學者對影響鉚接質(zhì)量的工藝參數(shù)做了大量的研究，然而對錘鉚工藝，尤其是反鉚的工藝參數(shù)方面還少有研究。

針對一雙機器人錘鉚實驗平臺進行研究，前期，文獻[8，10]對該雙機器人錘鉚設(shè)備的鉚槍沖擊頻率和沖擊力進行了分析，采用ABAQUS二次開發(fā)，建立仿真分析程序，并進行分析，獲得了該機器人正鉚的最佳鉚槍輸入氣壓和沖擊時間。然而該設(shè)備由于后期增加了自動送釘功能，僅可用于反鉚，因此，為實現(xiàn)雙機器人自動錘鉚設(shè)備的送鉚功能，針對影響反鉚鉚接質(zhì)量的重要工藝參數(shù)進行分析。在前期研究工作的基礎(chǔ)上，提出了一種對錘鉚過程進行仿真分析的方法，基于Python語言，對ABAQUS進行二次開發(fā)，以錘鉚力p、沖錘次數(shù)i作為輸入?yún)?shù)，建立了錘鉚過程的仿真分析程序。通過運行程序進行仿真，獲得不同輸入?yún)?shù)下鉚釘墩頭尺寸，通過比較，選取最優(yōu)錘鉚參數(shù)，通過實驗驗證了仿真方法的可靠性。

2 建立第一次沖擊分析

2.1 ABAQUS分析模型的建立

針對雙機器人錘鉚設(shè)備的錘鉚過程建立錘鉚沖擊模型，如圖1所示。鉚槍沖頭頂住鉚釘頭，頂把頂住鉚釘桿，鉚槍內(nèi)的活塞受氣壓的作用，以一定的速度捶打沖頭，沖頭受力沖擊鉚釘，使鉚釘產(chǎn)生變形。多次沖擊過程中，頂把向X-方向移動，始終頂住鉚釘桿。

圖1 錘鉚沖擊模型圖Fig.1 Hammer Riveting Impact Model

2.2 單次沖擊分析

根據(jù)以上沖擊模型圖，采用ABAQUS/Explicit求解器，建立有限元分析模型，為減少分析量，采用1/4模型，仿真模型，如圖2所示。鉚接的尺寸，如圖3所示。

圖2 有限元仿真模型Fig.2 Finite Element Simulation Model

圖3 鉚接尺寸示意圖Fig.3 Riveting Size Diagram

圖中：d—鉚釘直徑4mm；L—鉚釘長度，根據(jù)鉚釘直徑、蒙皮和桁條厚度按照航空工業(yè)標準[11]選型；ɑ—蒙皮的厚度；b—桁條的厚度；H—鉚釘墩頭的高度；D—鉚釘墩頭的直徑。

Johnson-Cook模型[12]是用于描述材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的本構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)簡單，物理意義明確，獲得廣泛的工程應用，因此采用J-C模型描述材料的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系，其一般形式，如式（1）所示。

式中：σ—Von Mises流動應力；ε—等效塑性應變；—無量綱化的塑性應變率；A—屈服強度；B—硬化模量；C—應變率敏感系數(shù)；n—應變硬化系數(shù)；m—熱軟化系數(shù)，零件材料的本構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 材料屬性及本構(gòu)參數(shù)Tab.1 Material Properties and Constitutive Parameters

為防止多次沖擊后網(wǎng)格變形過大而產(chǎn)生網(wǎng)格錯誤，鉚釘和安裝孔接觸部分的網(wǎng)格采用相同大小的種子；為了實現(xiàn)多次沖擊分析，Step設(shè)置“restart requests”，Interaction采用通用接觸；在設(shè)置載荷的過程中，設(shè)置Piston的沖擊速度V為初始速度。

3 ABAQUS二次開發(fā)

由于錘鉚是一種需要多次錘擊的過程，而ABAQUS/Explicit求解器僅可以分析一次沖擊，因此采用Python語言，在ABAQUS/CAE前后處理腳本接口自動分析。ABAQUS分析過程主要包括兩部分，第一次沖擊和循環(huán)沖擊。

3.1 ABAQUS分析模型

采用Python語言對ABAQUS進行二次開發(fā)，建立二次開發(fā)程序。首先建立第一次沖擊，生成第一次沖擊程序；建立二次沖擊，生產(chǎn)第二次沖擊程序，對第二次沖擊程序進行修改，獲得循環(huán)沖擊程序。程序運行流程圖，如圖4所示。

圖4 程序運行流程圖Fig.4 Program Flow Chart

循環(huán)沖擊過程中，將第（i-1）次沖擊分析后的ODB文件中的零件輸入到第（i i＞1）次沖擊模型中，為防止分析出錯，刪除所有零件生成的surfaces sets；復制第i-1次沖擊模型的實例和材料；為新模型的零件指派截面；創(chuàng)建分析步并設(shè)置重啟動；同第一次沖擊一樣，設(shè)置接觸和載荷。

3.2 程序編制

在錘鉚過程中，每沖擊一次，鉚釘形成一定尺寸的墩頭，鉚釘桿末端與頂把分離，因此，循環(huán)程序中在裝配模塊中添加頂把移動程序，使頂把始終與鉚釘桿末端接觸，這里通過測量第i次沖擊的裝配體中鉚釘桿上點的坐標和頂把上點的坐標，并取其差值，來確定移動距離，具體程序如下：

建立分析任務時，由于模型單元較多，計算量較大為節(jié)省計算時間，提高計算效率，采用并行計算，ABAQUS任務管理器中有專門的選項來讓用戶選擇采用幾核進行計算[14]。采用四核進行計算。

3.3 程序運行結(jié)果

根據(jù)以上仿真分析模型，以氣壓p和沖錘次數(shù)i作為輸入?yún)?shù)，進行有限元分析。根據(jù)文獻[10]可知，工藝試驗用到的鉚槍在不同氣壓下獲得其相對的瞬時沖擊力和沖擊速度，如表2所示。

表2 不同氣壓下鉚釘瞬時沖擊力和沖擊速度Tab.2 Instantaneous Impact Force and Impact Speed of Rivets Under Different Air Pressures

根據(jù)航空工業(yè)標準[11]，墩頭的尺寸要求，如式（2）、式（3）所示。

式中：D0—鉚釘墩頭直徑的標準尺寸；hmin—鉚釘墩頭高度的最小允許值。通過計算和查找得出墩頭尺寸，如式（4）所示。

采用表2所示的輸入氣壓，對有限元模型進行分析，最終的分析數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 部分仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.3 Partial Simulation Analysis Result Data

采用表3所示的輸入氣壓和錘鉚次數(shù)，運行錘鉚分析程序，獲得的輸入氣壓p=0.3、0.4、0.5、0.6MPa時，達到鉚釘變形的分析云圖，如圖5所示。

圖5 鉚釘變形圖Fig.5 Rivet Deformation Diagram

鉚釘?shù)膽Ψ植急容^均勻，變形相同，因此輸入氣壓對鉚接質(zhì)量的影響不明顯[9]，考慮到鉚接效率，選擇p=0.6MPa，i=29時鉚接的時間最短，為1.12s，鉚接的效率更高。

4 錘鉚實驗

4.1 雙機器人錘鉚實驗

錘鉚實驗在雙機器人自動鉚接實驗平臺上進行，如圖6所示。該實驗平臺可實現(xiàn)平面自動鉚接功能，由兩個對稱形式的三自由度移動機器人組成。一臺機器人的末端設(shè)置頂把，頂住鉚釘桿，另一臺機器人末端設(shè)置鉚槍，兩機器人協(xié)調(diào)工作。

圖6 錘鉚鉚接試驗平臺Fig.6 Hammer Riveting Test Platform

4.2 實驗結(jié)果及分析

通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，將鉚槍輸入氣壓調(diào)整為0.6MPa；鉚槍的沖擊時間為1.12s。設(shè)置頂把移動距離為2.8mm。進行實驗，共錘鉚10個釘。一鉚釘?shù)亩疹^變形圖，如圖7所示。

圖7 鉚釘墩頭變形Fig.7 Rivet Upsetting Deformation

使用游標卡尺對鉚釘墩頭直徑和高度進行測量，測得10組鉚釘墩頭直徑平均值為6.03mm，高度平均值為1.68mm。鉚釘墩頭實驗值相對仿真值得直徑絕對誤差為0.041mm，高度絕對誤差為0.032mm。因此兩者誤差均不大，且鉚接后的尺寸滿足變形要求，鉚接合格，驗證了仿真方法的可靠性。

5 結(jié)論

根據(jù)錘鉚工藝建立了ABAQUS仿真分析模型，使用Python語言對ABAQUS進行二次開發(fā)，建立錘鉚仿真程序。通過對不同氣壓下進行仿真分析，獲得分析數(shù)據(jù)，選擇鉚接效率更高的0.6MPa輸入氣壓，1.12s鉚接時間?；陔p機器人錘鉚實驗平臺進行錘鉚實驗，驗證了仿真方法的可靠性。