抽芯拉鉚過程鉚體變化的數(shù)值模擬

張德偉，叢述玲，田春雨，張文華，徐鑫，李鵬偉，孔雪

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抽芯拉鉚過程鉚體變化的數(shù)值模擬

張德偉，叢述玲，田春雨，張文華，徐鑫，李鵬偉，孔雪

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

對抽芯鉚接工藝過程進行數(shù)值模擬，研究鉚接過程鉚體形變時的應(yīng)力分布及塑性應(yīng)變比值變化，預(yù)測鉚體應(yīng)力值及變形程度。結(jié)果表明：抽芯鉚接過程鉚體形變主要有兩個階段，即屈服階段與墩粗階段，最大應(yīng)力主要集中在鉚體尾部區(qū)域，中間位置應(yīng)力較小，塑性應(yīng)變比值先大幅度增長，后趨于平緩，鉚體尾部塑性應(yīng)變比值大于1，成形好。將模擬結(jié)果與實驗相對比，其成型形狀有很好的一致性。

拉鉚；鉚體；數(shù)值模擬；有效塑性應(yīng)力；有效塑性應(yīng)變比

引言

鉚接是一種不可拆卸的連接形式。近年來，我國鉚接技術(shù)已在汽車、橋梁、鐵路、航空領(lǐng)域迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用。抽芯拉鉚是依據(jù)胡克定律原理，預(yù)先在連接件上鉆孔，利用拉鉚槍將鉚釘與被鉚合件鉚合[1]的一種連接方法。鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋及焊接變形，而拉鉚能夠適應(yīng)新結(jié)構(gòu)材料連接的需要，同時具有高質(zhì)量及長使用壽命等優(yōu)點。

在鉚接技術(shù)中可以應(yīng)用CAE技術(shù)進行模擬分析。湖南大學(xué)的夏平等[2]分析計算鉚接鉚釘所需的壓力。法國的Lang -rand, B.等[3]分析了鉚接基于模型和材料疲勞特性的數(shù)值過程，提出考慮鉚釘材料的非線性因素[4]。通過運用仿真技術(shù)對工藝方案的可行性和有效性進行驗證。

1 有限元模型的建立

兩連接件采用某車身鋁合金6005A型材，壁厚為2mm，鋁板孔徑為5.1mm。選用φ5×13mm的開口型沉頭抽芯鉚釘，鉚釘材料為304不銹鋼，應(yīng)技術(shù)指標見表2.1。鉚接完成后鉚釘頭部和墩頭無切痕、壓坑，裂紋及其它機械損傷。

根據(jù)抽芯鉚釘鉚接試驗過程建立有限元模型如圖1所示。

表1 鉚釘技術(shù)指標

2 數(shù)值模擬過程及結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果分析

根據(jù)軸對稱特點對模型進行對稱分析，從模擬過程可以看出，拉鉚過程中鉚體變形大致分為2個階段：屈服階段和墩粗階段，有效塑性應(yīng)力云圖、有效塑性應(yīng)變比云圖如下圖2、圖3所示。

圖2 屈服階段

圖2中，當夾頭拉動鉚釘桿時，釘桿頭部與鉚體接觸，進而擠壓鉚體尾部。隨著鉚槍拉動釘芯的進行，鉚體尾部最先變形，鉚體應(yīng)力變大，當達到材料的屈服極限時，鉚體逐漸出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。此時有效塑性應(yīng)變比相對較小，主要位于鉚體的尾部。

隨著鉚槍繼續(xù)拉動釘芯，釘芯頭部繼續(xù)擠壓鉚體尾部，鉚體尾部材料劇烈流動，并變形脹大，鉚體尾部不再變形時，完成變形，最后形成墩頭，完成墩粗階段。其有效應(yīng)力云圖、有效塑性應(yīng)變比率圖如圖3所示。最大應(yīng)力主要分布于鉚釘尾部與釘芯頭部接觸的位置，中心位置的應(yīng)力較小，最終的有效塑性應(yīng)變比值大于1，r值越大越有利于變形，不易斷裂。

圖3 墩粗階段

整個鉚接過程的鉚體的有效塑性應(yīng)變比的曲線圖如圖4所示。

圖4 有效塑性應(yīng)變比率的曲線圖

從圖中可以知在屈服階段的有效塑性應(yīng)變比迅速增加，并出現(xiàn)一峰值。當在墩粗階段時有效塑性應(yīng)變比增長緩慢，在即將完成墩粗時其值幾乎不變。

2.2 實驗驗證

圖5為模擬鉚接完成后結(jié)構(gòu)剖面應(yīng)力云圖。將試樣進行斷面解剖，截面成形見圖6。鉚接接頭鉚體與連接件無間隙，無錯位，成形良好。

圖5 鉚接的應(yīng)力云圖

圖6 鉚接剖面圖

對比圖5與圖6可看出，模擬結(jié)果與實驗的成形形貌基本吻合。

3 結(jié)論

通過模擬計算φ5×13mm的開口型沉頭抽芯鉚釘鉚接過程，得出：

1）鉚體在拉鉚過程中主要經(jīng)歷兩個階段：塑性階段、墩粗階段。

2）鉚體應(yīng)力主要集中在鉚釘鉚體尾部與釘芯凸出頭部相接觸的區(qū)域，中心區(qū)域的等效應(yīng)變較小。

3）鉚體在塑性階段有效塑性應(yīng)變比迅速增加，當在墩粗階段時有效塑性應(yīng)變比增長緩慢，最終其值幾乎無變化。

4）將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，其形貌有很好的一致性。

[1] 彭小龍.鋁板的變形修復(fù)實訓(xùn)[J].汽車與駕駛維修:維修版, 2015(8): 36-37.

[2] 夏平,劉蘭.鉚接鉚釘分布壓力的計算.設(shè)備設(shè)計與維修,2003,(12): 99-108.

[3] Langrand, B.,Drazetic, P, Patronelli,L.,Analysis of the riveting proc -ess forming mechanisms,International Journal of Materials Product Technology, 1998, 13 : 123-145.

[4] Langrand, B.,Riveted joints embrittlement,Validation of riveting process FE model, ONERA-Lille Report 98/01, 1998.

Numerical Simulation of Rivet Body Change on Blind Rivets with Break Pull Mandrel Process

Zhang Dewei, Cong Shuling, Tian Chunyu, Zhang Wenhua, Xu Xin, Li Pengwei, Kong Xue

( Liaoning Zhongwang Group Co. Ltd., Liaoning Shenyang 111003 )

Simulating blind rivets with break pull mandrel process. Discuss stress distribution and plastic strain ratio change of rivet body during riveting. Prediction of stress value and deformation of riveting body. Results show: There are two main segments of riveting body deformation that are yield segment and upsetting segment. The maximum stress is mainly concentrated in the tail area of the riveting body, and the stress in the middle position is small.The plastic strain ratio increa -ses more quickly first and then tends to slow. Also ratio is greater than 1, the forming is good. Compare the simulation with the experiment results, the shape of the molding is in good consistency.

blind rivets; rivet body; numerical simulation; effective plastic stress; effective plastic strain ratio

B

1671-7988(2018)20-110-03

U467.1

B

1671-7988(2018)20-110-03

U467.1

張德偉，就職于遼寧忠旺集團有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.040