鉚接干涉量對(duì)疲勞壽命的影響分析

楊悅，余路，蔣紅宇，王宇波

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436)

0 引言

連接技術(shù)是機(jī)體裝配的基礎(chǔ)技術(shù)，提高連接質(zhì)量是保障飛機(jī)機(jī)體長(zhǎng)壽命的重要因素[1～2]。鉚接作為機(jī)械連接的一種，是飛機(jī)構(gòu)件連接的主要方式，具有較穩(wěn)定的連接結(jié)構(gòu)，而且其操作容易，可以用于較復(fù)雜的復(fù)合材料和金屬。例如一架普通民用飛機(jī)上的鉚釘可達(dá)到100多萬(wàn)件[3]。鉚釘主要是通過(guò)鉚接工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接。因此，為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)安全可靠地服役，首要任務(wù)就是提高構(gòu)件的鉚接質(zhì)量。

相對(duì)于傳統(tǒng)鉚接技術(shù)，干涉鉚接技術(shù)[4]可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件連接的較高和較均勻的干涉量，不僅可以達(dá)到飛機(jī)減重的需求，而且可以成倍地提高構(gòu)件的疲勞性能，減小構(gòu)件裂紋的發(fā)生，是滿足高質(zhì)量、高壽命、低成本的主要方法之一[5]。因此干涉鉚接技術(shù)具有突出的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)夾層厚度較大的鉚接構(gòu)件，也可實(shí)現(xiàn)整個(gè)釘桿的干涉配合[6-7]。目前影響干涉量數(shù)值及均勻性的因素包括鉚接力等工藝參數(shù)、鉚釘材質(zhì)等結(jié)構(gòu)因素及鉚接方法和設(shè)備。

1 鉚接變形受力的有限元分析

1.1 鉚接受力過(guò)程分析

根據(jù)鉚接的成形機(jī)理，可將鉚接過(guò)程分成4個(gè)變形階段：自由鐓粗變形、彈性變形、塑性變形、彈性回彈階段[8～9]。通過(guò)采用deform軟件進(jìn)行鉚接過(guò)程的有限元仿真分析，觀察鉚接受力過(guò)程的加載情況，如圖1所示。

根據(jù)仿真的受力情況分析，結(jié)合鉚接變形的特點(diǎn)，對(duì)鉚接過(guò)程做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化分析：初始時(shí)為自由鐓粗變形，變形過(guò)程平穩(wěn)，材料的流動(dòng)阻力相對(duì)較小，載荷保持平穩(wěn)上升；隨著行程的增加，變形受到孔周的約束，變形抗力增大，與接觸面的摩擦力也增大，因此載荷迅速增大；直至鉚接過(guò)程結(jié)束。

圖1 承受載荷隨下壓行程的變化曲線

1.2 鉚接仿真模型構(gòu)建[10]

本仿真采用的鉚釘直徑為4 mm，連接構(gòu)件為2024-T3鋁合金。材料參數(shù)如表1所示，假設(shè)壓鉚設(shè)備為理想剛體。

表1 金屬材料性能

表1中：E為楊氏模量；ν為泊松比；ρ為密度；σs為屈服強(qiáng)度；σb為拉伸強(qiáng)度。

仿真設(shè)置如下：

1)模型導(dǎo)入：通過(guò)CATIA軟件建立鉚釘和連接構(gòu)件的模型，導(dǎo)入Deform中。本試驗(yàn)以凸頭鉚釘工藝模型為研究對(duì)象。

2)仿真屬性設(shè)置：鉚接過(guò)程屬于冷鉚，工作環(huán)境溫度設(shè)為20℃，鋁合金之間接觸摩擦系數(shù)為0.3，其他接觸摩擦系數(shù)為0.12。

3)網(wǎng)格重劃分：鉚釘和連接件為塑性變形，按照四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

4)設(shè)定模擬條件：存儲(chǔ)步驟為133步，每10步存一次。

1.3 鉚接過(guò)程及應(yīng)力變化分析

通過(guò)有限元仿真，獲得鉚接后鉚釘和連接板的應(yīng)力狀態(tài)，見圖2(行程下壓5.32 mm，即鐓頭高度為1.98 mm時(shí)應(yīng)力情況)。通過(guò)應(yīng)力分析，獲得鉚接中鉚釘和連接板的應(yīng)力集中部位。

結(jié)果表明：隨著不斷進(jìn)行的鉚接過(guò)程，鉚釘?shù)淖畲髴?yīng)力處為與工件接觸的下表面。工件的最大應(yīng)力處為孔周與鉚釘鐓頭接觸處，此兩點(diǎn)是受力薄弱點(diǎn)，易產(chǎn)生疲勞裂紋，所以實(shí)際裝配中，提高這兩處部位的承載能力可以有效保證鉚接質(zhì)量，提高疲勞壽命[11]。

圖2 圓頭鉚鉚接

1.4 鉚接干涉量的有限元分析結(jié)果討論

通過(guò)仿真過(guò)程中控制孔徑和鐓頭尺寸，獲得鉚接干涉量的大小及均勻性，為后續(xù)減少試驗(yàn)次數(shù)，提供技術(shù)依據(jù)。

干涉量的測(cè)量方法：通過(guò)沿釘桿方向，每隔0.4 mm，依次取10個(gè)點(diǎn)，然后按式(4)、式(5)計(jì)算干涉量。

絕對(duì)干涉量：

E=D′-D

(4)

相對(duì)干涉量：I=[(D′-D)/D]×100

(5)

式中：D′為鉚接后的鉚釘直徑；D為鉚接前緊固孔直徑。

通過(guò)工藝參數(shù)的控制獲得鉚接沿釘桿方向的等效應(yīng)變情況。仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉚模下壓量為5.32 mm，即鐓頭高度為1.98 mm時(shí)，能獲得最大的鉚接干涉量，如表2所示。

表2 鉚接有限元干涉量數(shù)據(jù)分析

通過(guò)有限元仿真分析鉚接過(guò)程，研究了鉚接工藝過(guò)程和鉚接后的應(yīng)力、應(yīng)變情況，通過(guò)鐓頭高度和孔徑尺寸的工藝參數(shù)控制，分析了鉚接干涉量大小及均勻性情況。仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

1)仿真分析鉚接過(guò)程中的鉚接力隨著鉚接下壓量的增加，呈現(xiàn)平穩(wěn)變化后大幅度增加的趨勢(shì)，鉚接力的變化趨勢(shì)與理論的鉚接工藝過(guò)程吻合。

2)仿真分析鉚接干涉量的大小和均勻性情況，干涉量的大小呈現(xiàn)楔形形狀，沿釘桿從鐓頭向釘頭方向呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，減少趨勢(shì)逐漸平緩。

3)仿真分析鉚接后的應(yīng)力情況，獲得最易出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)截面，即鉚釘和連接板的連接接觸面，此處承受的應(yīng)力最大。

4)仿真分析發(fā)現(xiàn)通過(guò)工藝參數(shù)研究干涉量的情況，獲得最佳的工藝參數(shù)，即鐓頭高度為1.98 mm，孔徑尺寸為4.1 mm的干涉量相對(duì)較大。

2 鉚接疲勞壽命分析

2.1 鉚接疲勞增益理論

基于塑性變形的主應(yīng)力方法和受力機(jī)理分析，構(gòu)建鉚接物理模型，以進(jìn)入屈服的金屬板為研究對(duì)象，如圖3所示。

圖3 連接板受力分析示意圖

建立受力平衡方程，求解得鉚接變形受力模型，如下式：

(1)

(2)

(3)

分析上述的鉚接變形受力模型，進(jìn)行討論分析：

根據(jù)疲勞增益理論，鉚接產(chǎn)生的干涉應(yīng)力可以顯著提高疲勞性能。根據(jù)式(1)-式(3)的函數(shù)關(guān)系，干涉量范圍在[0,4%]內(nèi)，干涉應(yīng)力與干涉量成正比關(guān)系。所以，在一定范圍內(nèi)，鉚接干涉量越大，干涉應(yīng)力也越大，對(duì)提高疲勞壽命越有益。

綜上，通過(guò)控制工藝參數(shù)達(dá)到控制干涉量的大小，以期獲得最佳的干涉應(yīng)力，提高構(gòu)件的疲勞性能，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量的裝配。

2.2 試驗(yàn)方案驗(yàn)證

以疲勞壽命作為評(píng)價(jià)鉚接干涉應(yīng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究鉚接干涉量大小對(duì)試件疲勞壽命的影響，驗(yàn)證鉚接變形受力模型。

試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)主要包括數(shù)控機(jī)床、氣動(dòng)壓鉚機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)和光學(xué)影像測(cè)量?jī)x等。

連接件材料為航空用鋁合金2024-T3，采用疊層制孔，疊層區(qū)的長(zhǎng)度為20 mm，結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 疲勞試件的結(jié)構(gòu)形式

通過(guò)進(jìn)行靜載試驗(yàn)確定兩個(gè)不同等級(jí)載荷下的疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 疲勞試驗(yàn)方案

運(yùn)用自動(dòng)制孔和壓鉚進(jìn)行疲勞試件制備，鉚接干涉量影響疲勞性能的試驗(yàn)流程如下：

1)材料準(zhǔn)備、試件標(biāo)記；

2)機(jī)器制孔，控制孔徑尺寸為4.00 mm；

3)清理、去毛刺；

4)測(cè)量孔徑并做記錄；

5)進(jìn)行壓鉚，控制鐓頭高度為1.6～3.2 mm；

6)測(cè)量鐓頭尺寸并記錄；

7)剖切試驗(yàn)及干涉量測(cè)量；

8)數(shù)據(jù)分析。

2.3 鉚接試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析和討論

通過(guò)應(yīng)力級(jí)別分別為1.19 kN和1.39 kN的共90組試件的干涉量測(cè)量和疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析討論，發(fā)現(xiàn)試件的疲勞裂紋都是出現(xiàn)在連接板上，其破壞形式是連接板受拉應(yīng)力破壞，所以本論文的受力模型是以連接板為研究受力對(duì)象，該結(jié)果符合理論、仿真和試驗(yàn)情況。

通過(guò)測(cè)量鉚接后的孔徑，計(jì)算獲得試件干涉量，去除干涉不完全及奇異點(diǎn)，獲得兩個(gè)應(yīng)力水平下的試件干涉量和疲勞壽命，并利用origin進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到兩應(yīng)力級(jí)別下干涉量與疲勞壽命的關(guān)系擬合曲線，如圖5所示。

1)試驗(yàn)獲得的干涉量和干涉應(yīng)力，干涉量與疲勞壽命干涉應(yīng)力隨著干涉量的增加，也不斷增大，疲勞壽命呈遞增變化；

2)干涉量處于[0,3%]內(nèi)，即最佳干涉量時(shí)，疲勞壽命處于最大值，此時(shí)的干涉量能最大限度地保證結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命；

3)當(dāng)干涉量繼續(xù)增加時(shí)，此時(shí)的干涉應(yīng)力過(guò)大，會(huì)造成孔邊裂紋增長(zhǎng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件疲勞壽命降低。

討論發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)獲得干涉量對(duì)鉚接壽命的影響與理論的鉚接變形受力模型的干涉量范圍基本一致，通過(guò)該模型，可以獲得最佳干涉量的范圍，對(duì)鉚接變形的分析和鉚接工藝具有工程指導(dǎo)意義。

圖5 不同應(yīng)力載荷下試件的擬合曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于塑性力學(xué)中鐓粗的變形受力特點(diǎn)，采用仿真與試驗(yàn)研究手段，得出以下結(jié)論：

1)基于鉚接過(guò)程機(jī)理分析，結(jié)合有限元仿真結(jié)果，獲得鉚接過(guò)程的受力變化情況：鉚接初始為自由鐓粗變形，材料所受的流動(dòng)阻力較小，載荷保持平穩(wěn)上升；隨著行程的增加，變形受到孔周的約束，變形抗力增大，與接觸面的摩擦力也增大，因此載荷迅速增大，直至鉚接過(guò)程結(jié)束。

2)通過(guò)建立鉚接變形受力模型，探討獲得鉚接干涉量與干涉應(yīng)力的關(guān)系：在一定范圍內(nèi)，干涉應(yīng)力隨著干涉量增加而變大，越大的干涉應(yīng)力對(duì)提高疲勞壽命越有益。

3)通過(guò)控制鐓頭高度獲得不同干涉量數(shù)值，開展鉚接干涉量大小對(duì)試件疲勞壽命的影響分析，隨著干涉量的增加，干涉應(yīng)力也不斷增大，疲勞壽命呈現(xiàn)明顯遞增趨勢(shì)，直到達(dá)到最佳干涉量的數(shù)值。所以，該方法可以獲得能保證構(gòu)件高質(zhì)量長(zhǎng)壽命連接的最佳干涉量范圍。

4)鉚接干涉量決定了鉚接干涉應(yīng)力的大小，而鉚接干涉應(yīng)力直接影響了疲勞壽命，由于前期對(duì)于鉚接試驗(yàn)件的干涉應(yīng)力測(cè)量缺少方法，未做測(cè)量，所以導(dǎo)致鉚接變形的受力模型無(wú)法進(jìn)行定量的驗(yàn)證，只能進(jìn)行定性分析，希望后期能通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步地進(jìn)行驗(yàn)證。