GFRP/鋁合金疊層靜壓鉚接孔徑對干涉量的影響

曹 宇 劉 濤 喬國華 梁玉龍 郭明東 馬興海

GFRP/鋁合金疊層靜壓鉚接孔徑對干涉量的影響

曹 宇 劉 濤 喬國華 梁玉龍 郭明東 馬興海

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

針對典型GFRP/鋁合金疊層開展了2A10材質(zhì)4mm鉚釘在4.1～4.2mm孔徑內(nèi)，通過靜壓鉚接后，鉚釘釘桿在疊層不同位置處的干涉量測量及數(shù)據(jù)計算，得出干涉量變化差異及規(guī)律。結(jié)果表明，干涉量從復(fù)合材料側(cè)向鋁合金板側(cè)過渡，在復(fù)合材料處有最大相對干涉量，在鉚釘墩粗側(cè)鋁合金與鉚釘有最小干涉量。靜壓鉚接時，孔徑4.2mm比孔徑4.1mm擁有更小的干涉量值。

玻璃纖維增強塑料；鋁合金；鉚接；孔徑；干涉量

1 引言

玻璃纖維復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Plastic，GFRP）具有強度高、耐腐蝕、介電性能好等優(yōu)點，在航空、航天、航海、高鐵、汽車等行業(yè)的產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用[1～3]。在運載火箭殼體結(jié)構(gòu)中常采用玻璃纖維復(fù)合材料與鋁合金結(jié)構(gòu)件鉚接方式連接裝配，以降低結(jié)構(gòu)重量，提高運載效益。因此評定玻璃纖維復(fù)合材料與鋁合金結(jié)構(gòu)件的鉚接連接使用性能，成為運載火箭艙體結(jié)構(gòu)制造過程中的重要問題。現(xiàn)運載火箭艙體常采用4.1mm鉚釘孔徑，通過靜壓鉚接方式裝配連接，由于鉚釘成形時鐓頭端的釘桿膨脹量最大，極易導(dǎo)致復(fù)合材料的損傷與破壞或在鉚釘鐓頭周圍出現(xiàn)壓傷、硌傷、分層等缺陷，嚴重影響連接可靠性。

曾超等[4]利用主應(yīng)力法、廣義變分不等原理、Avitzur上限法以及有限元分析法，分析了鉚接成形過程材料流動特征下鉚接力與釘頭尺寸之間的關(guān)系。萬書會等[5]開展了2A10材料4mm鉚釘基于ABAQUSR軟件模擬分析，通過兩種不同鉚釘裝配方向?qū)Y(jié)構(gòu)件鉚接性能的影響機理，得出了鉚釘在電磁鉚接過程中，鉚釘頭朝向薄結(jié)構(gòu)件一側(cè)裝配有利于釘桿的均勻膨脹，有益于提高運載火箭艙段鉚接質(zhì)量。宋丹龍等[6]針對CFRP/AI復(fù)合構(gòu)件的無頭鉚釘壓鉚過程從理論建模和有限元模擬兩方面研究了復(fù)合構(gòu)件壓鉚力取值范圍。盛熙等[7]對碳纖維復(fù)合材料/鋁合金疊層開展了4TA1鉚釘干涉鉚接研究，分別選用外徑7mm、8mm、9mm墊圈時可將干涉量控制在2%以內(nèi)，同時能夠保證復(fù)合材料沒有明顯的損傷。

由現(xiàn)有文獻可知，復(fù)合材料鉚接過程極易產(chǎn)生損傷缺陷，為提升GFRP/鋁合金疊層結(jié)構(gòu)鉚接連接可靠性，采用4.1mm與4.2mm兩種鉚釘孔徑，通過靜壓鉚接方式，對比鉚釘干涉量數(shù)據(jù)差異，選擇合理的鉚釘孔徑用于GFRP鋁合金疊層鉚接裝配。

2 試驗裝置及試片

實驗設(shè)備采用GE-5型顯微鏡對試片拍照，通過Digital viewer軟件測量鉚釘直徑，計算鉚釘相對干涉量。試片選用2.5mm厚CFRP材料與2.5mm厚鋁合金板材疊層，由4mm×12mm規(guī)格2A10材質(zhì)鉚釘進行鉚接試驗，每組試片10件。

3 疊層靜壓鉚接過程仿真

圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

運用 ABAQUS建立鉚釘壓鉚成形分析模型，模型包括壓鉚頭、GFRP板、鋁板和鉚釘。采用C3D8R單元按結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，模型如圖1所示。根據(jù)鉚接實際情況建立6組接觸，接觸包括：a.鉚模上端面為主面，鉚釘下端和釘桿側(cè)面為從面；b.釘桿側(cè)面為主面，GFRP板孔周為從面；c.釘桿側(cè)面為主面，鋁板孔周為從面；d.鉚釘半圓頭下表面為主面，GFRP板上表面為從面；e.釘桿側(cè)面為主面，鋁板下表面為從面；f.GFRP板和鋁板之間的接觸面。

鉚釘壓鉚過程分為整體自由鐓粗和局部自由鐓粗兩個過程。初始階段，當壓鉚頭和鉚釘接觸后，由于釘桿與孔壁存在間隙，鉚釘桿首先發(fā)生整體鐓粗變形，隨著壓鉚頭的移動，鉚釘變形增加，在釘桿變形最大處接觸到孔壁材料。壓鉚力繼續(xù)增加，釘桿材料填滿釘孔，鐓頭處變形繼續(xù)增加，此時開始進入局部自由鐓粗階段，壓鉚力繼續(xù)增加，直至鐓頭形成。壓鉚變形的典型過程仿真結(jié)果如圖2所示。通過分析仿真結(jié)果，當疊層預(yù)制孔分別為4.1mm、4.2mm時，形成直徑(6±0.2)mm、高度(2±0.2)mm鉚釘鐓頭所需的壓鉚力范圍分別為18～20.1kN、17.8～19.6kN。

圖2 靜壓鉚接過程分析

4 干涉量測試

通過采用4×12mm規(guī)格2A10材質(zhì)鉚釘，在4.1mm與4.2mm兩種鉚釘孔徑內(nèi)開展靜壓鉚接，測量得到的鉚接試件干涉量，每個鉚接件選取3個位置測試，即鉚釘圓頭側(cè)距復(fù)合材料板表面0.5mm處，測試鉚后釘徑記為1，該位置所測干涉量為復(fù)合材料與鉚釘干涉量；復(fù)合材料與鋁合金配合面處鋁合金側(cè)距鋁合金與復(fù)合材料接觸面0.5mm處，測試鉚后釘徑記為2，該位置所測干涉量為鋁合金與鉚釘干涉量；墩粗側(cè)距鋁合金板表面0.5mm處，測試鉚后釘徑記為3，該位置所測干涉量為鋁合金與鉚釘干涉量，測試位置示意圖如圖3所示。

圖3 干涉測量位置示意圖

設(shè)為相對干涉量、為鉚接后鉚釘直徑、為鉚接前鉚釘孔直徑，相對干涉量可表示為：

4.1 Φ4.1mm孔徑靜壓鉚接干涉量測試

表1 Φ4.1mm孔徑靜壓鉚接干涉量測試結(jié)果分析

圖4 Φ4.1mm孔徑靜壓鉚接絕對干涉量

針對試片上直徑為4.1mm孔開展靜壓鉚接測試，壓鉚力選擇18.5～19.2kN，一組測試10個鉚接件，分別測試3個位置：鉚后釘徑、絕對干涉量、相對干涉量及平均值，試驗結(jié)果如表1所示。由試驗結(jié)果可知，GFRP和鉚釘?shù)淖畲笙鄬Ω缮媪繛?.68%，最小相對干涉量4.88%，平均相對干涉量5.84%；GFRP與鋁合金配合面處鋁合金與鉚釘最大相對干涉量為5.02%，最小相對干涉量3.41%，平均相對干涉量4.08%；鉚釘墩粗側(cè)鋁合金與鉚釘最大相對干涉量為2.83%，最小相對干涉量1.22%，平均相對干涉量2.02%。由此可知，鉚接干涉量由復(fù)合材料側(cè)向鋁合金板側(cè)過渡，相對干涉量值逐漸減小，4.1mm孔徑靜壓鉚接絕對干涉量如圖4所示。

4.2 Φ4.2mm孔徑靜壓鉚接干涉量測試

表2 Φ4.2mm孔徑靜壓鉚接干涉量測試結(jié)果分析

現(xiàn)針對試片上直徑為4.2mm孔開展靜壓鉚接測試，壓鉚力選擇18.2～18.6kN，一組測試10個鉚接件，分別測試3個位置：鉚后釘徑、絕對干涉量、相對干涉量及平均值，試驗結(jié)果如表2所示。

圖5 Φ4.2mm孔徑靜壓鉚接絕對干涉量

圖6 試片干涉量測量

現(xiàn)針對試片上直徑為4.2mm孔開展靜壓鉚接測試，壓鉚力選擇18.2～18.6kN，一組測試10個鉚接件，分別測試3個位置：鉚后釘徑、絕對干涉量、相對干涉量及平均值，試驗結(jié)果如表2所示。由試驗結(jié)果可知，GFRP和鉚釘?shù)淖畲笙鄬Ω缮媪繛?.29%，最小相對干涉量3.95%，平均相對干涉量4.59%；GFRP與鋁合金配合面處鋁合金與鉚釘最大相對干涉量為2.67%，最小相對干涉量1.86%，平均相對干涉量2.18%；鉚釘墩粗側(cè)鋁合金與鉚釘最大相對干涉量為1.86%，最小相對干涉量0.33%，平均相對干涉量0.76%。由此可知，鉚接干涉量由復(fù)合材料側(cè)向鋁合金板側(cè)過渡，相對干涉量逐漸減小，其干涉量變化過程與4.1mm孔徑干涉量變化過程一致，4.2mm孔徑靜壓鉚接絕對干涉量如圖5所示，試片干涉量測量如圖6所示。

5 結(jié)束語

針對典型GFRP/鋁合金疊層，開展2A10材質(zhì)4mm鉚釘在4.1mm與4.2mm孔徑內(nèi)靜壓鉚接狀態(tài)下，鉚釘釘桿在疊層不同位置處的干涉量測量及數(shù)據(jù)計算，獲得了干涉量變化差異及規(guī)律：

a. 在靜壓鉚接狀態(tài)下，4.1mm與4.2mm孔徑相對干涉量呈現(xiàn)相同變化規(guī)律，從復(fù)合材料側(cè)向鋁合金板側(cè)過渡，相對干涉量值逐漸減小，在復(fù)合材料處有最大相對干涉量，在鉚釘墩粗側(cè)鋁合金板與鉚釘有最小干涉量。

b. 在靜壓鉚接狀態(tài)下，孔徑4.2mm比孔徑4.1mm鉚接時擁有更小的干涉量值。

1 張立國，呂琴. 我國玻璃鋼/復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展對玻璃纖維的市場需求[J].玻璃纖維，2010,32(5)：51～56

2 陸剛. 玻璃鋼復(fù)合材料驅(qū)動汽車輕量化發(fā)展[J]. 汽車工業(yè)研究，2016,30(7)：45～47

3 劉東平，申林遠，朱亞蓉. 玻璃纖維復(fù)合材料與鋁合金疊層低損傷制孔工藝參數(shù)研究[J]. 航空精密制造技術(shù)，2017,44(6)：72～74

4 曾超，田威，劉向堯，等. 航空鉚接壓力成形釘頭材料流動及尺寸研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2019,63(10)：176～182

5 萬書會，王鎮(zhèn)，吳赟，等. 鉚釘方向?qū)?mm2A10鉚釘鉚接性能的影響[J]. 航天制造技術(shù)，2020,38(3)：36～39

6 宋丹龍，李原，駱彬，等. CFRP/Al復(fù)合構(gòu)件無頭鉚釘壓鉚力建模與仿真分析[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012,64(4)：558～564

7 盛熙，曹增強，王俊彪. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接[J]. 機械科學(xué)與技術(shù)，2004,23(4)：434～436

Influence of Aperture of GFRP/ Aluminum Alloy Laminated Static Riveting on Amount of Interference

Cao Yu Liu Tao Qiao Guohua Liang Yulong Guo Mingdong Ma Xinghai

(Tianjin Long March Launch Vehicle Manufacturing Corporation Limited, Tianjin 300462)

In this paper, for typical GFRP/ aluminum alloy lamination, 2A10 material4mm rivets were carried out in the aperture of4.1mm and4.2mm. After static pressure riveting, the interference quantity measurement and data calculation of rivet rod at different positions in the lamination were carried out, and the difference and rule of interference quantity variation were obtained. The results show that the interference amount is transferred from the composite material side to the aluminum alloy side, and the maximum relative interference amount is at the composite material side, and the minimum interference amount is at the rough side of the rivet pier between the aluminum alloy and the rivet. In static pressure riveting, the diameter of4.2mm is smaller than that of4.1mm.

glass fiber reinforced plastics；aluminium alloy；riveting；aperture；interference quantity

V19

A

曹宇（1987），工程師，鉚接專業(yè)；研究方向：運載火箭艙段鉚接裝配技術(shù)。

2021-05-17