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

(空軍第一航空學院航空修理工程系，河南信陽464000)

在飛機結構戰傷搶修中，鉚接仍然是最主要的修理手段之一。當對受損飛機結構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性能方面應彼此相當[1]。但在外場對受損飛機結構實施搶修時，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量，相關文獻[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化設計提供理論依據。

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，摩擦因數設為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

圖1 劃分網格后的有限元模型

1.2 約束和載荷的施加

由于鉚接結構建立的是對稱模型，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，鉚接件遠端受鉚釘的作用很小，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－位移關系基本滿足正弦定律[2，4]，所以按照如圖2所示的規律設置沖頭的位移載荷。

圖2 沖頭時間－位移關系曲線

2 計算結果分析

2.1 不同鉚釘材料對應力分布的影響

圖3是鉚釘材料為2024的鉚接變形應力云圖。當把鉚釘材料分別改為2A10 和7050時，其鉚接變形的應力分布規律與圖3相似。對于與鉚釘頭接觸的板件，其應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力值不一樣。對于鉚釘材料為7050的鉚接結構，鉚釘和鉚接件嚴重受載部位的應力值最大;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造成影響，可能會造成裂紋等損傷的出現。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裂紋等損傷的概率也較小。

圖3 鉚接終了時的應力云圖(鉚釘材料為2024)

2.2 不同鉚釘材料對應變分布的影響

圖4是鉚釘材料為2024 所對應鉚接終了時的塑性應變圖。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律與圖4相似，塑性應變區域都是主要集中在鉚釘的鐓頭，其塑性應變區的分布情況與圓柱體鐓頭的難變形區、大變形區和小變形區[5－6]分布規律一樣，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個節點，這些節點的具體位置如圖5所示。

圖5 鉚孔邊緣所選節點的分布情況

圖6是鉚釘材料分別為2024、2A10 和7050 所對應的鉚接終了時鉚孔邊緣節點的徑向尺寸圖。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 結論

在建立鉚接變形三維有限元模型的基礎上，分析了不同鉚釘材料對鉚接件的應力應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力和應變主要集中在鉚釘鐓頭和鉚釘孔邊緣處的結論，但對于鉚釘材料強度比鉚接件小的情況，其對應的最大應力值最小，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的概率。

【1】代永朝，鄭立勝.飛機結構檢修[M].北京:航空工業出版社，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，2008(22):94－97.

【3】張洪雙.鉚接工藝參數分析[J].機械設計與制造，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基礎[M].北京:國防工業出版社，2008:234－240.

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