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多萬件[3]。鉚釘主要是通過鉚接工藝進(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)，針對夾層厚度較大的鉚接構(gòu)件，也可實(shí)現(xiàn)整個釘桿的干涉配合[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 鉚接受力過程分析

根據(jù)鉚接的成形機(jī)理，可將鉚接過程分成4個變形階段：自由鐓粗變形、彈性變形、塑性變形、彈性回彈階段[8～9]。通過采用deform軟件進(jìn)行鉚接過程的有限元仿真分析，觀察鉚接受力過程的加載情況，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)，對鉚接過程做進(jìn)一步的簡化分析：初始時為自由鐓粗變形，變形過程平穩(wěn)，材料的流動阻力相對較小，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CATIA軟件建立鉚釘和連接構(gòu)件的模型，導(dǎo)入Deform中。本試驗以凸頭鉚釘工藝模型為研究對象。

2)仿真屬性設(shè)置：鉚接過程屬于冷鉚，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：存儲步驟為133步，每10步存一次。

1.3 鉚接過程及應(yīng)力變化分析

通過有限元仿真，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時應(yīng)力情況)。通過應(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

通過仿真過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)減少試驗次數(shù)，提供技術(shù)依據(jù)。

干涉量的測量方法：通過沿釘桿方向，每隔0.4 mm，依次取10個點(diǎn)，然后按式(4)、式(5)計算干涉量。

絕對干涉量：

E=D′-D

(4)

相對干涉量：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，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

通過有限元仿真分析鉚接過程，研究了鉚接工藝過程和鉚接后的應(yīng)力、應(yīng)變情況，通過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，鉚接力的變化趨勢與理論的鉚接工藝過程吻合。

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，減少趨勢逐漸平緩。

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，對提高疲勞壽命越有益。

綜上，通過控制工藝參數(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)長壽命、高質(zhì)量的裝配。

2.2 試驗方案驗證

以疲勞壽命作為評價鉚接干涉應(yīng)力的評價指標(biāo)，研究鉚接干涉量大小對試件疲勞壽命的影響，驗證鉚接變形受力模型。

試驗驗證平臺主要包括數(shù)控機(jī)床、氣動壓鉚機(jī)、疲勞試驗機(jī)和光學(xué)影像測量儀等。

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

通過進(jìn)行靜載試驗確定兩個不同等級載荷下的疲勞試驗，試驗方案如表3所示。

表3 疲勞試驗方案

運(yùn)用自動制孔和壓鉚進(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)測量鐓頭尺寸并記錄；

7)剖切試驗及干涉量測量；

8)數(shù)據(jù)分析。

2.3 鉚接試件疲勞試驗結(jié)果分析和討論

通過應(yīng)力級別分別為1.19 kN和1.39 kN的共90組試件的干涉量測量和疲勞試驗結(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象，該結(jié)果符合理論、仿真和試驗情況。

通過測量鉚接后的孔徑，計算獲得試件干涉量，去除干涉不完全及奇異點(diǎn)，獲得兩個應(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，疲勞壽命處于最大值，此時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，此時的干涉應(yīng)力過大，會造成孔邊裂紋增長，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件疲勞壽命降低。

討論發(fā)現(xiàn)，試驗獲得干涉量對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，通過該模型，可以獲得最佳干涉量的范圍，對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

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

1)基于鉚接過程機(jī)理分析，結(jié)合有限元仿真結(jié)果，獲得鉚接過程的受力變化情況：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，直至鉚接過程結(jié)束。

2)通過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)力對提高疲勞壽命越有益。

3)通過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，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，由于前期對于鉚接試驗件的干涉應(yīng)力測量缺少方法，未做測量，所以導(dǎo)致鉚接變形的受力模型無法進(jìn)行定量的驗證，只能進(jìn)行定性分析，希望后期能通過試驗進(jìn)一步地進(jìn)行驗證。