铆接干涉量对疲劳寿命的影响分析

铆接干涉量对疲劳寿命的影响分析

张泉,杨玉杰,付三强

天津航天长征火箭制造有限公司  300462

摘要：在当前的工业生产过程中，铆接是极为常见的结构装配方法，其工艺可靠且简单便捷。而铆接的质量将直接影响工件的综合质量。建立在塑性力学的基础上，分析铆钉的变形受力特点以及机械连接可靠性，综合有限元分析方法，分析结构的具体受力情况，通过工艺试验了解干涉量的变化对疲劳寿命产生的实际影响，在不同的工艺体系中打造标准的最佳干涉量范围，从而提升作业质量。本文建立在技术分析法以及实验研究的基础上，结合干涉量对铆接结构疲劳寿命产生的影响进行分析，确保能够为相关工艺体系创新奠定良好基础。

关键词：铆接工艺；干涉量；疲劳寿命；有偿分析

引言

综合我国当前的工业生产体系来看，连接技术的可靠性及完整性已经成为机械装配的重点，铆接工艺是极为常见的机械连接技术之一，具有极强稳定性，同时易操作，人工成本较低，可以通过生产线智能操控进行操作。但是从技术体系角度来讲，构件之间的连接需要给予较高及均匀的干涉量，这样才可以提升结构的疲劳性能，但是干涉量的大小会对结构的质量产生影响。

一、有限元分析

首先从技术体系角度来讲，针对铆接技术进行干涉是当前多方关注的重点，尤其是针对夹层厚度较大的构件，在干涉的过程中需要整个铆钉杆进行配合，目前影响干涉数值以及干涉量均匀性的主要因素涵盖铆接工艺、参数、材质、结构、铆接方法、设备性能。因此建立在有限元分析的基础上，结合其中的各要素展开讨论。

（一）受力过程仿真信息

结合铆接的成型机理，可以将具体过程分化成三个不同的阶段，首先是自由墩增粗变形，其次为弹性变形，最后为塑性变形以及弹性回弹阶段，可以直接通过有限元仿真分析构件模型，分析其具体的受力情况。详细受力情况见图1。

图1  铆接结构受力情况

通过仿真分析了解其受力情况，结合铆接的具体变形特点，针对其过程进行简化，在初始阶段自由墩粗变形，整体的变形过程较为平稳，随着材料本身流动阻力的逐步减小，荷载维持平稳上升的状态；而在铆接工艺逐步推进的过程中，变形受到周边孔壁的约束，会增加变形抗力，同时接触面摩擦力也会随之增大，因此荷载的速度会全面提升，最后铆接过程结束，受力停止。

（二）铆接仿真模型的打造

为了全面提升本文研究的科学性，建立在仿真模型的基础上进行分析，仿真模型所采用的实际材料为直径4毫米的铆钉连接构件，为2024-T3铝合金。实际的参数情况见表1。

表1仿真模型各项参数分析

综合表中的数据来看，E代表杨氏模量；v代表松柏比；p为密度；σs代表屈服强度；σb代表拉伸的强度。

首先将模型导入到Catla软件中构建基础模型，然后再将其导入deform内。本次仿真模型中选择的铆钉工艺为凸头铆钉。在铆接过程中采取冷铆操作手法，环境温度控制在20℃，铝合金的摩擦系数控制为0.3，其他的接触面摩擦系数控制为0.12。铆钉和连接件之间的变形为塑性变形，综合四面体网格进行划分。整体的模拟步骤为133步，每10步进行一次数据储存以及模型分析。

二、应力变化情况

建立在有限元分析的基础上，能够了解铆接结束之后，铆钉以及连接板的具体定力变化情况，其中行程下压为5.32毫米、墩头的高度为1.98毫米时，将其受力情况统计为图2所示。

图2仿真模型受力情况

结合其受力情况来看，最大应力的位置是孔洞周边和马丁墩头接触的位置，这两点是主要的薄弱点容易产生疲劳裂纹，因此在实际操作的过程中，需要针对这两点位置进行严格的控制，全面提高疲劳寿命。

三、结果分析

利用仿真分析来进行孔径以及墩头尺寸的控制，能够得到铆接干涉量的大小以及具体的分布情况，可以有效减少后续实验次数，提供精准的实验结果。

综合实际情况来看，干涉量的主要测量方式是沿着铆钉杆的方向，每隔0.4毫米进行一次测量，依次取10个测量点，然后按照绝对干涉量以及相对干涉量的计算方式进行测量，其中要考虑铆接结束之后的铆钉直径以及铆接之前的紧固孔直径。

建立在下压模量5.32毫米以及墩头高度1.98毫米的基础上，通过应力级别分别为1．19kN和1.39kN的共90组试件的干涉量测量和疲劳试验结果分析讨论，发现试件的疲劳裂纹都是出现在连接板上，其破坏形式是连接板受拉应力破坏，将其干涉量总结为图3所示。

图3  标准情况下干涉量分析

利用有限元分析法，研究铆接工艺的整体过程，分析应力变化以及形变的状态，了解其中的各项参数和尺寸，发现随着下压量的不断增大，铆接力前期平稳，后期逐步增加，其变化趋势从理论角度来讲符合铆接工艺的实际过程；其次，干涉量的大小以及均匀分布情况主要呈现锥型状态，沿着铆钉杆从墩头向钉头的方向逐步递减，减少的趋势后期趋于平缓；再次，最容易出现裂纹的是铆钉和连接板之间的接触面，此处承受的压力最大；通过数据统计之后，可以确定在墩头高度为1.98毫米以及孔径的尺寸在4.1毫米时，干涉量相对较大，且能够获得最佳的工艺参数。

结语

通过以上仿真验证，确定利用有限元分析，能够有效模拟铆接工艺加工的具体过程定位，其中的各项参数，而干涉量的大小往往随着铆钉杆直径以及材料的实际性能调整而出现变化，另外干涉用力会随着干涉量的增加而不断加大，干涉力越大则越能提升疲劳寿命，但是需要注意的是，针对其中的应力薄弱点要进行严格把控；另外也要综合不同铆钉的高度定位最佳干涉量数值，这样才可以在提升构建寿命的同时严格地控制质量，满足实际加工需求。

参考文献

[1]杨悦,余路,蒋红宇,王宇波.铆接干涉量对疲劳寿命的影响分析[J].机械制造与自动化,2021,50(02):87-90.

[2]朱振东.铆钉参数对单搭多钉连接件疲劳特性影响研究[D].浙江大学,2020.