航空用Ti-6Al-4V緊固件抗剪性能數(shù)值模擬分析*

徐 昊,馬艷云,袁 婭,劉婧穎,周 強(qiáng),劉 暢

(1.航天精工股份有限公司天津市緊固件連接技術(shù)企業(yè)重點實驗室,天津 300300;2.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387)

0 引言

緊固件是一類最常見的機(jī)械零件,常用于其他零部件的緊固和連接,廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、航空航天和建筑等領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域,戰(zhàn)斗機(jī)的連接裝配需要大量的緊固件。而隨著航空技術(shù)的發(fā)展[1],對緊固件的性能提出了更高的要求。鈦合金由于其高比強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和耐熱性等特點,目前在航空航天緊固件選材方面受到越來越多的重視[2]。而剪切強(qiáng)度是評價航空緊固件性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[3],因此有必要對緊固件進(jìn)行剪切性能測試。

目前對于緊固件性能的研究,主要通過三維有限元仿真、實驗分析的方法對緊固件剪切性能進(jìn)行研究。在有限元仿真方面,李艷等[4]建立了螺栓雙剪有限元模型,并對實驗中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析,得到螺栓剪切力的趨勢圖,通過對比仿真和實驗數(shù)據(jù),證明了模型的可靠性。CAI等[5]采用了數(shù)值分析的方法,在此基礎(chǔ)上研究了高溫下高強(qiáng)度螺栓鋼連接的斷裂行為。針對高強(qiáng)度的ASTM A325螺栓和A572 50級鋼,首次從其拉伸和剪切試驗結(jié)果校準(zhǔn)并驗證了材料的溫度依賴性特性,包括在三級斷裂模型中的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線和斷裂參數(shù)。姜云鵬等[6]選擇金屬基復(fù)合材料作為研究對象,使用有限元法對其雙剪切過程中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析計算,得到受剪區(qū)隨時間變化的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。

在實驗分析方面,郭兵等[7]分別對單個螺栓和高強(qiáng)度螺栓咬合型連接整體試件進(jìn)行了抗剪試驗,研究不同參數(shù)對破壞機(jī)理和抗剪承載力的影響。杜強(qiáng)等[8]針對復(fù)合板材雙剪切試驗,設(shè)計了專門的試驗裝置,選擇不同芯材和厚度的結(jié)構(gòu)保溫板作為研究對象,分析了復(fù)合板材的破壞形態(tài)和剪切性能。陳永當(dāng)?shù)萚9]通過實驗研究了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料鉚釘?shù)募羟行阅?發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)二維疊層預(yù)制體鉚釘,多軸向經(jīng)編預(yù)制體鉚釘具有更好的剪切性能。WEIGAND等[10]采用基于構(gòu)件的建模方法,根據(jù)高溫下25 mm(1 in.)直徑高強(qiáng)度螺栓的雙剪試驗數(shù)據(jù),經(jīng)驗推導(dǎo)出A325和A490級螺栓材料的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量。李靜堯等[11]對32組Q690高強(qiáng)鋼高強(qiáng)螺栓(10.9級或12.9級)抗剪連接進(jìn)行試驗,觀察到連接鋼板的剪出破壞、撕裂破壞、承壓破壞、凈截面破壞和螺栓剪切破壞共5種破壞模式。通過分析試驗數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)Q690高強(qiáng)鋼有良好的局部變形能力,研究了螺栓等級、規(guī)格、預(yù)拉力和端距、邊距對試件承載力和變形的影響。

在螺栓的生產(chǎn)制造過程中,熱處理是提高工件剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵工序。為了研究工件熱處理后的抗剪性能,建立了胚件和熱處理后這兩種類型工件的雙剪切三維數(shù)值仿真模型,開展了雙剪切實驗驗證模型的正確性,分析了工件的抗剪性能。對比了胚件和熱處理后工件的載荷-位移曲線、剪切強(qiáng)度和雙剪切過程中應(yīng)力演化過程、受剪后應(yīng)力集中處區(qū)域的應(yīng)力變化曲線。該研究可以為實際螺栓加工工藝提供數(shù)據(jù)支持。

1 雙剪切實驗

1.1 雙剪切實驗方法

實驗所用材料為Ti-6Al-4V。熱處理工藝為固溶(954 ℃,1 h)-烘干(1 h)-校直-時效處理?；趪覙?biāo)準(zhǔn)“GJB715.26A-2015”緊固件試驗方法-雙剪”建立雙剪切實驗。雙剪切實驗在某公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(CMT5105,最大試驗力100 kN)上進(jìn)行。雙剪切實驗示意圖如圖1所示。

圖1 螺栓雙剪切實驗三維示意圖

實驗裝置由試驗機(jī)和夾具組成,用于對緊固件試件的雙剪切實驗。夾具由下底座、下刀片和上刀片組成。下底座和下刀片外形均為U字形,上刀片為一塊方形板。上、下刀片配合處設(shè)有大小相同的孔槽用來放置螺栓緊固件,來對試件進(jìn)行剪切。實驗時,下底座和下刀片套嵌放置在實驗平臺上,緊固件放置在下刀片的半圓槽中(放置緊固件時雙剪切部位應(yīng)在螺紋收尾和螺栓頭下圓角部分之間,不能在螺紋部分和緊固件圓角處進(jìn)行實驗),上刀片嵌入下刀片槽中完成夾具的組裝。夾具固定緊固件后,試驗機(jī)以3 mm/min的恒定速率加載載荷在上刀片上方,進(jìn)行雙剪切實驗。以載荷衰減幅度大于1%為停止條件,輸出測試數(shù)據(jù)。

1.2 雙剪切實驗原理

螺栓緊固件在連接兩個或兩個以上的零件時,主要承受剪切力的作用。因此,判斷螺栓緊固件的抗剪切能力,是螺栓是否能應(yīng)用于實際的重要指標(biāo)。而對螺栓抗剪性能的測定,一般假設(shè)剪切力在受剪面上是均勻分布的,且盡可能的模仿在實際工況下螺栓的受力情況。在測得螺栓承受的最大載荷后,也要按照剪切力在受剪面均勻分布的方式來核算剪切強(qiáng)度。

螺栓雙剪切試驗,即通過剪切試驗機(jī)加載靜壓力,使得螺栓在靜壓力的作用下把垂直于軸線的兩個受剪面剪切至額定載荷或直至斷裂,來確定螺栓剪切性能的實驗,如圖2a所示。螺栓的剪切性能與試件的剪切截面積A有關(guān),在雙剪試驗中,剪切面m-m上的剪切力FQ=F/2,如圖2b所示。當(dāng)F達(dá)到Fb時,達(dá)到螺栓剪切極限應(yīng)力,記為τb,對于雙剪切實驗,極限剪切應(yīng)力為:

(a) 受剪面示意圖 (b) 雙剪切受力示意圖

(1)

雙剪切實驗后,以載荷為縱坐標(biāo),位移為橫坐標(biāo),繪制載荷位移曲線。取曲線上載荷峰值為Fb,按式(1)可求得極限剪切應(yīng)力。

2 雙剪切仿真建模

剪切實驗是測量抗剪強(qiáng)度最常用的一種方法。雙剪切實驗的受力和變形特點是:試件在外力作用下沿著與外力作用線平行的兩個受剪面發(fā)生錯動。而針對緊固件的雙剪切實驗主要用來判斷緊固件的剪切強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。與實驗法相比,有限元仿真法具有低成本、短周期的優(yōu)點,而且可以直觀的了解螺栓的剪切過程以及應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢,為實驗優(yōu)化和結(jié)果分析提供幫助。因此,本文采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行雙剪切實驗仿真,模擬緊固件雙剪切過程。

首先,通過UG對雙剪切實驗中的夾具和試件進(jìn)行三維建模,雙剪切實驗所用緊固件規(guī)格為MJ6×54的齒輪槽100°沉頭螺栓,材料為Ti-6Al-4V。夾具標(biāo)準(zhǔn)參考GJB715.26A-2015;然后,將創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)入ABAQUS仿真軟件建立雙剪切實驗的幾何模型。

2.1 材料模型

目前,已經(jīng)開發(fā)了幾個數(shù)學(xué)模型來描述了金屬的應(yīng)變率相關(guān)本構(gòu)關(guān)系,如Johnson-Cook[12]模型和Zerilli-Armstrong模型。其中,Zerilli-Armstrong模型通常用在晶體結(jié)構(gòu)為體心立方或面心立方的金屬。而Ti-6Al-4V合金由緊密堆積的六邊形和體心立方結(jié)構(gòu)組成,因此本文選用典型的Johnson-Cook本構(gòu)模型,并基于Ti-6Al-4V彈塑性特性以及雙剪切實驗,工件在高應(yīng)變、高應(yīng)變率下發(fā)生瞬間的彈塑性變形,該模型將影響流動應(yīng)力的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)與溫度效應(yīng)采用連乘的形式聯(lián)系在一起,具體表達(dá)如下:

(2)

根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)測試結(jié)果獲得參數(shù)A、B和n。此外,參數(shù)C可以通過式(3)的變換表達(dá)式確定:

(3)

式中:σ0為準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服應(yīng)力,A、B、C、n分別為1060 MPa、1090 MPa、0.011 7、0.884。

2.2 網(wǎng)格、接觸和邊界條件設(shè)置

在ABABQUS中對螺栓緊固件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,螺栓整體采用四面體單元,網(wǎng)格大小設(shè)置為0.1 mm。為模擬雙剪切實驗的實際剪切過程,上、下刀片采用剛體,螺栓采用彈塑性體。對上/下刀片和螺栓之間定義接觸條件,并設(shè)置主從關(guān)系。受剪面、上/下刀片和緊固件接觸處均存在摩擦,設(shè)置罰摩擦系數(shù)為0.3。模型的邊界條件如圖3所示。

圖3 模型邊界條件

由于緊固件放置在下刀片的半圓孔內(nèi),在上刀片的作用力下受剪,下刀片沒有運動,因此約束下刀片的全部自由度,上刀片只保留與受剪面平行的自由度。在上刀片上所施加作用力的方式為單位時間下壓量,大小設(shè)置為3 mm/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 載荷-位移曲線

為了驗證雙剪切有限元模型的準(zhǔn)確性,對毛坯、熱處理工序下的雙剪切試驗的有限元模型進(jìn)行驗證。將ABAQUS模型獲得的毛坯、熱處理工序下的載荷位移曲線與實驗的曲線進(jìn)行對比。圖4為毛坯和熱處理載荷位移曲線的實驗和仿真的對比。從圖4中可以看到毛坯與熱處理的仿真曲線與實驗曲線均吻合良較好,驗證了模型的正確性。對比圖4a和圖4b發(fā)現(xiàn),熱處理后工件的最大載荷明顯高于毛坯的最大載荷值。這是由于螺栓進(jìn)行熱處理后,材料的性能發(fā)生變化,硬度、強(qiáng)度提高。毛胚的載荷位移曲線中,載荷在位移為1.2 mm時達(dá)到最大值,而熱處理后的工件雙剪切位移為1.0 mm的時候達(dá)到最大值。由雙剪切實驗后的工件形貌也可以看出,毛坯件的位移比熱處理后工件的位移大。

(a) 毛胚件實驗與仿真載荷位移曲線 (b) 熱處理后工件實驗與仿真載荷-位移曲線

3.2 剪切強(qiáng)度

圖5為胚件和熱處理剪切強(qiáng)度實驗和仿真的對比。從圖5可以看出,模型獲得剪切強(qiáng)度與實驗吻合較好,平均誤差為0.5%,驗證了模型的正確性。毛坯件的剪切強(qiáng)度為637 MPa,熱處理后工件的剪切強(qiáng)度為746 MPa。

圖5 仿真與實驗剪切強(qiáng)度對比

對比毛坯和熱處理后工件的剪切強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)熱處理后的剪切強(qiáng)度相比于毛胚件的有較大提升,剪切強(qiáng)度提高了17%。由剪切強(qiáng)度的式(1)可得,剪切強(qiáng)度與工件的直徑和所能承受的載荷相關(guān)。在熱處理工藝下工件的直徑不會發(fā)生變化,而熱處理后工件的強(qiáng)度和硬度變大,所能承受的載荷變大,導(dǎo)致工件的剪切強(qiáng)度變大。

3.3 應(yīng)力演化

進(jìn)一步對雙剪試仿真不同時間步長下的應(yīng)力云圖進(jìn)行對比,由胚件和熱處理下的云圖均可以看出,剪切應(yīng)力是局部化和非對稱的。如圖6a、圖7a所示,在剪切過程中隨著上刀片在試驗機(jī)的作用下下壓,在剪切初始階段下刀片內(nèi)側(cè)邊緣與工件接觸處較快的出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,是工件整個受剪區(qū)域內(nèi)形成的應(yīng)力最大區(qū)域。而在上刀面與工件接觸表面部分,在剪切剛開始時所受的應(yīng)力較小,不會形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。如圖6b、圖7b所示,隨著上刀片下壓量的增加,工件表面與上刀片接觸區(qū)域應(yīng)力逐漸增加,工件與下刀面接觸區(qū)域的應(yīng)力變大,且應(yīng)力集中范圍逐漸擴(kuò)大。如圖6c、圖7c所示,在試驗機(jī)持續(xù)加載下,螺栓的整個受剪面均承受較大的應(yīng)力,螺栓長度方向發(fā)生二次變形和彎曲,從截面圖上也看到了應(yīng)力集中發(fā)展到了上刀片的剪切處,這兩處應(yīng)力集中的位置也驗證了實驗中螺栓被剪切失效處工件受剪位置段的整體滑移。圖6d、圖7d為在剪切模擬后期工件受剪失效,應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失,工件應(yīng)力變化逐漸變緩。工件在仿真中的變形失效在模型中體現(xiàn)為隨著部分網(wǎng)格的消失,應(yīng)力集中現(xiàn)象也消失。

圖6 毛胚雙剪切應(yīng)力演化云圖

圖7 熱處理雙剪切應(yīng)力演化云圖

為了更直觀的對比兩種工藝下工件受剪在應(yīng)力集中處的變化情況,對工件受剪后發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域提取該位置的應(yīng)力變化曲線,曲線提取位置選取工件與下刀片接觸處的兩應(yīng)力集中之間的位置,如圖8a所示。提取得到的應(yīng)力變化曲線如圖8b所示。從曲線變化可以發(fā)現(xiàn),相對于胚件的應(yīng)力,熱處理后工件在該位置應(yīng)力同比變大,這與之前分析是相符的。且胚件和熱處理后的應(yīng)力曲線都在掃描路徑0.5 mm和5.5 mm處出現(xiàn)應(yīng)力峰值,這是由于這兩處區(qū)域為工件與下刀片的內(nèi)表面的接觸處,存在棱邊使得工件在受剪后容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。而中間區(qū)域受到的應(yīng)力減小。

(a) 應(yīng)力分析位置示意圖 (b) 應(yīng)力變化

4 結(jié)論

熱處理是提高工件剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵工序。為了研究毛坯件和工件熱處理后工件的抗剪性能,建立了雙剪切三維數(shù)值模型,分析了兩種工件的抗剪性能,獲得了以下一些重要結(jié)論:

(1)建立的毛坯件和熱處理后工件的雙剪切三維數(shù)值模型獲得的載荷-位移曲線可以與實驗值很好的吻合,模型得到的剪切強(qiáng)度與實驗值對比平均誤差為0.5%,驗證了模型的正確性。

(2)由于螺栓進(jìn)行熱處理后,材料的性能發(fā)生變化,硬度、強(qiáng)度提高,熱處理后工件的最大載荷明顯高于毛坯的最大載荷值,剪切強(qiáng)度提高了17%。

(3)在受剪過程中,工件的應(yīng)力集中現(xiàn)象由下刀面接觸處開始逐漸擴(kuò)散到整個受剪面,之后工件受剪失效,應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失,工件應(yīng)力變化逐漸變緩。