曹興華，丁亞萍，金文濤，李東風(fēng)

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，南京210031）

關(guān)鍵字：熱鉚連接；疲勞可靠性；疲勞壽命；有限元分析

0 引 言

熱鉚連接作為鐵道車輛結(jié)構(gòu)連接的主要方式之一，其連接質(zhì)量直接關(guān)系到車輛的安全運(yùn)行。鉚接的失效形式主要有鉚釘被剪斷、被連接件被剪壞、釘孔接觸面、被壓潰板沿釘孔被拉斷、板邊被撕裂。這些失效形式大都是由于壓鉚成型過(guò)程的殘余應(yīng)力和疲勞損傷引起的。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鉚接的成型過(guò)程和疲勞可靠性進(jìn)行了大量研究。Xu等[1]提出了一種SPH-FEM混合數(shù)值模型，用于預(yù)測(cè)Mg /Al的FSBR搭接接頭的攪拌效果；在該模型中，僅模擬了鉚釘插入過(guò)程，并未考慮心軸拉伸過(guò)程。Kuzawa等[2]提出了一種全面的，實(shí)驗(yàn)支持的疲勞評(píng)估程序，專門用于舊鉚接公路橋梁；田冬鳳[3]通過(guò)建立鉚接構(gòu)件有限元模型進(jìn)行鉚接變形的數(shù)值模擬，并針對(duì)鉚接疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素進(jìn)行鉚接質(zhì)量的影響規(guī)律分析，給出了鉚接關(guān)鍵參數(shù)的控制指標(biāo)；丁陽(yáng)喜[4]基于Monte Carlo模擬法，計(jì)算轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的可靠度及參數(shù)靈敏度，分析得到空氣彈簧部位的載荷變量和材料的許用疲勞強(qiáng)度變量對(duì)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度可靠性影響較靈敏。

本文通過(guò)分析熱鉚變形過(guò)程和疲勞可靠性理論，結(jié)合有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行熱鉚連接過(guò)程模擬和靜力學(xué)分析，并用疲勞分析軟件FE-SAFE對(duì)ABAQUS的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，最后改變熱鉚連接時(shí)的釘桿長(zhǎng)度和鐓頭高度，研究熱鉚參數(shù)對(duì)鉚接疲勞壽命的影響。

1 熱鉚變形分析和疲勞可靠性理論

1）熱鉚變形分析。熱鉚過(guò)程中，在溫度和沖頭壓力的作用下，鉚釘發(fā)生塑性變形，釘桿開始膨脹鐓粗，由于釘桿受到鉚接件孔徑的約束，根據(jù)金屬塑性成型質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律，金屬向阻力最小方向流動(dòng)，釘桿塑性變形形成鐓頭[5]。當(dāng)沖頭離開時(shí)，釘桿有一定的彈性回復(fù)，隨著溫度的降低，釘桿長(zhǎng)度方向收縮，增加了鉚接件間的正壓力。

圓頭鉚釘?shù)亩沾诌^(guò)程中，圓柱外形發(fā)生畸變，沖模為半圓形模具，金屬流受沖頭約束，逐漸充滿模具，最終形成半圓形鐓頭。

2）Miner線性累積損傷理論。疲勞是部件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過(guò)程[6]。材料在反復(fù)加載的作用下，即使把應(yīng)力幅度嚴(yán)格控制在材料的彈性范圍以內(nèi)，也總會(huì)發(fā)生斷裂，即會(huì)發(fā)生疲勞損壞。這是一個(gè)由包括部件裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂等組成的累積過(guò)程所導(dǎo)致產(chǎn)生的綜合結(jié)果。

若構(gòu)件在某恒幅交變應(yīng)力范圍S作用下，循環(huán)破壞的壽命為N，則可以定義其在經(jīng)受n次循環(huán)時(shí)的損傷為D=n/N，當(dāng)n=0時(shí)D=0；n=N時(shí)D=1，發(fā)生破壞。構(gòu)件在應(yīng)力范圍Si作用下經(jīng)受ni次循環(huán)的損傷為Di=ni/Ni.則在k個(gè)應(yīng)力范圍Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)則可定義其總損傷為

破壞準(zhǔn)則為D=∑ni/Ni=1。若設(shè)計(jì)壽命為時(shí)間Td，時(shí)間Td內(nèi)的損傷為D，則疲勞壽命為Tf=Td/D。

進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)多種方式進(jìn)行加載，如等幅加載、隨機(jī)加載、程序加載等[7]。等幅加載是最常見的一種加載方式，簡(jiǎn)便且迅速，對(duì)于比較構(gòu)件疲勞特性、確定工藝參數(shù)和選擇試驗(yàn)方案都非常適用。等幅加載的載荷波形主要有正弦波形、三角波形和矩形波形等，一般采用正弦波形變化的交變載荷。

2 有限元建模及分析

1）有限元建模。根據(jù)實(shí)際熱鉚過(guò)程，采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行熱鉚連接有限元分析，包括建立幾何模型、設(shè)置單元和材料屬性、載荷步、定義接觸、施加載荷和確定邊界條件、劃分網(wǎng)格、計(jì)算及后處理。

根據(jù)某鐵道車輛車體熱鉚連接結(jié)構(gòu)的幾何尺寸繪制平面草圖，旋轉(zhuǎn)生成部件三維模型。壓鉚過(guò)程中鉚接件和沖頭的變形很小，為方便建模，鉚接件用兩塊圓板代替，設(shè)置為離散剛體，簡(jiǎn)化沖頭模型，設(shè)置為解析剛體，鉚釘設(shè)置為柔性體。幾何尺寸如表1所示，有限元模型如圖1所示。

表1 鉚釘和鉚接件尺寸

圖1 有限元模型

圖2 熱鉚過(guò)程模擬

2）熱鉚過(guò)程模擬。本次模擬定義分析總的步長(zhǎng)為7202 s，沖頭下降時(shí)間0.5 s，壓鉚過(guò)程1 s，沖頭回位0.5 s，鉚釘降溫7200 s。對(duì)模型進(jìn)行求解，最后后處理得到壓鉚過(guò)程的鉚釘變形和受力情況，鉚釘變形情況如圖2所示。

由圖2可知，熱鉚過(guò)程中鉚釘?shù)淖冃瘟亢艽蟆?.5 s時(shí)沖頭與鉚釘接觸，鉚釘開始鐓粗變形，0.6785 s時(shí)鉚釘與鉚接件孔壁接觸，釘桿受到孔壁的約束，開始形成鐓頭，1.5 s時(shí)沖頭下降結(jié)束，鐓頭初步形成，沖頭開始回位，由于鐓頭和釘桿的彈性回復(fù)，沖頭在1.5039 s時(shí)才和鐓頭分離，2 s時(shí)沖頭回到初始位置，在降溫過(guò)程中，釘桿沿長(zhǎng)度方向收縮，7200 s時(shí)，溫度冷卻至常溫，熱鉚連接完成。大變形主要集中在0.5～1.5 s之間，降溫過(guò)程中釘桿沿長(zhǎng)度方向收縮，與實(shí)際熱鉚過(guò)程符合。

3）鉚釘靜力分析。熱鉚連接完成后，在原有分析步的基礎(chǔ)上進(jìn)行靜力分析，設(shè)置一個(gè)分析步，取消鉚釘釘頭的固定，并根據(jù)鐵道車輛運(yùn)行過(guò)程中車體鉚接結(jié)構(gòu)受力情況和TB/T 2911-1998在鉚釘軸向施加交變載荷最大值10 MPa，加載示意圖如圖3所示。

施加軸向拉伸載荷后，鉚釘?shù)刃?yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D如圖4、圖5所示，最大應(yīng)力為514 MPa，集中在鉚釘鐓頭頂部，最大應(yīng)變?yōu)?.271，主要在鐓頭靠近鉚接件邊緣的位置，這對(duì)鉚釘?shù)钠谛阅苡泻艽笥绊憽?/p>

3 疲勞可靠性分析

將靜力分析后的鉚接構(gòu)件模型導(dǎo)入疲勞分析軟件FE-SAFE中，加載恒幅載荷，設(shè)置材料屬性，利用S-N曲線預(yù)測(cè)壽命對(duì)鉚釘進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)研究。將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ABAQUS中，查看鉚釘?shù)膲勖茍D和損傷因子，如圖6、圖7所示。

結(jié)合上文熱鉚應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，可以看出圖6和圖7顯示的疲勞壽命云圖和損傷因子云圖的結(jié)果具有一致性，因此可以通過(guò)對(duì)熱鉚連接后鉚釘進(jìn)行靜力分析，然后利用靜力分析結(jié)果進(jìn)行疲勞分析?？梢钥闯?，圖6、圖7顯示疲勞破壞主要發(fā)生在鉚釘鐓頭頂部，鉚釘疲勞壽命最小值對(duì)應(yīng)于等效應(yīng)力的最大值，鐓頭高度的鉚接構(gòu)件的疲勞壽命是4.7×104，對(duì)數(shù)疲勞壽命是4.675，最大損傷因子為2.115×10-5，其余部位未發(fā)生疲勞破壞。

圖3 靜力拉伸示意圖

圖4 熱鉚應(yīng)力云圖

圖5 熱鉚應(yīng)變?cè)茍D

圖6 鉚釘壽命云圖

圖7 損傷因子云圖

影響鉚接結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的關(guān)鍵因素有釘桿長(zhǎng)度、鐓頭高度等，基于原有鉚接參數(shù)，改變釘桿長(zhǎng)度和鐓頭高度，分析釘桿長(zhǎng)度和鐓頭高度變化對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的影響。

1）釘桿長(zhǎng)度。選取釘桿直徑d為22 mm，鐓頭高度H為15 mm，裝配間隙b為0.1 mm，釘桿長(zhǎng)度l分別為65.5 mm、66.5 mm、68.5 mm、69.5 mm的圓頭鉚釘，對(duì)比不同釘桿長(zhǎng)度情況下鉚釘?shù)钠趬勖蛽p傷因子。

4種不同釘桿長(zhǎng)度熱鉚連接的壽命云圖如圖8所示。4種不同釘桿長(zhǎng)度熱鉚連接的損傷因子云圖如圖9所示。5種不同釘桿長(zhǎng)度熱鉚連接的壽命結(jié)果如表2和圖10所示。

圖8 不同釘桿長(zhǎng)度的壽命云圖

圖9 不同釘桿長(zhǎng)度的損傷因子云圖

由圖8和圖9可知，釘桿長(zhǎng)度的改變對(duì)疲勞損傷位置有一定的影響，釘桿長(zhǎng)度小于一定值時(shí)，鉚釘?shù)钠趽p傷部位均發(fā)生在鉚釘鐓頭頂部和鐓頭與鉚接件邊緣相接觸的中心部位，超過(guò)某個(gè)值時(shí)，疲勞損傷位置只出現(xiàn)在鉚釘鐓頭頂部。由表2和圖10可知，疲勞壽命不隨鉚釘釘桿長(zhǎng)度的增大而增大，但在釘桿長(zhǎng)度為67.5 mm時(shí)，對(duì)數(shù)疲勞壽命達(dá)到最大，為4.675，即47 271次。

表2 不同釘桿長(zhǎng)度熱鉚連接的壽命結(jié)果

2）鐓頭高度。選取釘桿直徑d為22 mm，釘桿長(zhǎng)度l為67.5 mm，裝配間隙b為0.1 mm，鐓頭高度H分別為14 mm、14.5 mm、15.5 mm、16 mm的圓頭鉚釘，對(duì)比不同鐓頭高度情況下鉚釘?shù)钠趬勖蛽p傷因子。

4種不同鐓頭高度熱鉚連接的壽命云圖如圖11所示。4種不同鐓頭高度熱鉚連接的損傷因子云圖如圖12所示。5種不同鐓頭高度熱鉚連接的壽命結(jié)果如表3和圖13所示。

圖10 不同釘桿長(zhǎng)度的對(duì)數(shù)疲勞壽命

圖11 不同鐓頭高度的壽命云圖

表3 不同鐓頭高度熱鉚連接的壽命結(jié)果

由圖11和圖12可知，鐓頭高度的改變對(duì)疲勞損傷位置影響較小，鉚釘?shù)钠趽p傷部位均發(fā)生在鉚釘鐓頭頂部和鐓頭與鉚接件邊緣相接觸的中心部位。由表3和圖13可知，疲勞壽命隨鉚釘鐓頭高度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在釘桿長(zhǎng)度為67.5 mm時(shí)，對(duì)數(shù)疲勞壽命達(dá)到最大，為4.675，即47 271次。

圖12 不同鐓頭高度的損傷因子云圖

圖13 不同鐓頭高度的對(duì)數(shù)疲勞壽命

4 結(jié) 論

本文通過(guò)ABAQUS建立了熱鉚連接有限元模型，模擬了鉚釘?shù)淖冃芜^(guò)程，根據(jù)鐵道車輛運(yùn)行時(shí)鉚釘?shù)氖芰η闆r對(duì)壓鉚后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)Miner線性累積損傷理論和疲勞分析軟件FESAFE對(duì)整體結(jié)果進(jìn)行疲勞壽命分析，并通過(guò)改變鉚釘釘桿長(zhǎng)度和鐓頭高度對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)熱鉚連接后的鉚接結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際受力情況進(jìn)行靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)軸向力對(duì)鉚釘?shù)膽?yīng)力集中位置和大小有較大的影響；

2）釘桿長(zhǎng)度的改變對(duì)疲勞損傷位置有一定的影響，釘桿長(zhǎng)度小于一定值時(shí)，鉚釘?shù)钠趽p傷部位均發(fā)生在鉚釘鐓頭頂部和鐓頭與鉚接件邊緣相接觸的中心部位，超過(guò)某個(gè)值時(shí)，疲勞損傷位置只出現(xiàn)在鉚釘鐓頭頂部。進(jìn)行熱鉚連接時(shí)，存在最佳的釘桿長(zhǎng)度。

3）鐓頭高度對(duì)疲勞損傷位置影響較小，鉚釘?shù)钠趽p傷部位均發(fā)生在鉚釘鐓頭頂部和鐓頭與鉚接件邊緣相接觸的中心部位。疲勞壽命隨鉚釘鐓頭高度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。