基于DEFORM-3D的干涉配合鉚接仿真研究

李文超， 錢 煒， 閆 強(qiáng)， 李宇昊， 鐘柳春

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；3.上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，上海 201111）

基于DEFORM-3D的干涉配合鉚接仿真研究

李文超1， 錢 煒1， 閆 強(qiáng)1， 李宇昊2， 鐘柳春3

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；3.上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，上海 201111）

通過借助有限元仿真軟件DEFORM- 3D建立平錐頭鉚釘?shù)某炼疹^型干涉配合鉚接模型，模擬單個(gè)鉚釘?shù)母缮媾浜香T接動(dòng)態(tài)過程，測(cè)量在不同釘孔工藝參數(shù)下沿釘孔軸向方向上各測(cè)量點(diǎn)的徑向位移，計(jì)算出鉚釘與釘孔之間的相對(duì)干涉量.通過分析干涉量對(duì)鉚接件疲勞壽命性能的影響，得到合理的干涉配合鉚接釘孔工藝參數(shù)，并得到直徑為5 mm的平錐頭鉚釘干涉配合所需要的精確鉚接力，為實(shí)際的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證和生產(chǎn)工作提供可靠的理論數(shù)據(jù).

干涉配合鉚接；孔徑；DEFORM- 3D；數(shù)值模擬

鉆鉚連接是飛機(jī)薄壁件連接的主要方式，鉚接的質(zhì)量直接影響飛機(jī)的壽命和可靠性.一般情況下，提升飛機(jī)的壽命和可靠性有應(yīng)用新材料、改變結(jié)構(gòu)和改善工藝三種方式，短時(shí)間內(nèi)飛機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)不會(huì)有很大的改變.因此，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝來提升飛機(jī)的壽命和可靠性是現(xiàn)實(shí)有效的途徑［1］.干涉配合鉚接是一種新型的鉚接工藝，其實(shí)質(zhì)是在鉚接后釘桿與釘孔之間存在一定的干涉量，該干涉量可以成倍的提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命［2-4］，并在鉚接點(diǎn)處獲得良好的密封性.該技術(shù)廣泛地應(yīng)用在飛行器結(jié)構(gòu)部件的連接上，尤其是對(duì)疲勞壽命和氣密性要求高的部位，比如飛機(jī)增壓艙、機(jī)翼整體油箱等部位構(gòu)件的連接.

通常情況下，在產(chǎn)品生產(chǎn)前需要做大量的鉚接工藝試片，通過橫銑法逐層切開鉚接試片并測(cè)量鉚接后的釘桿或者釘孔的直徑，再計(jì)算出測(cè)量部位的干涉量.做工藝試片前如果有可靠的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)做指導(dǎo)，就能大大地縮短確定工藝參數(shù)的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本.隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)科學(xué)和有限元技術(shù)在航空航天構(gòu)件中結(jié)構(gòu)材料及成形分析上的應(yīng)用也日益成熟［5］.應(yīng)用數(shù)值模擬的方法可為實(shí)際的生產(chǎn)工藝制定、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).DEFORM- 3D是一款用于模擬金屬塑性成型的有限元分析軟件，應(yīng)用DEFORM- 3D模擬鉚釘?shù)母缮媾浜香T接過程，分析釘孔直徑對(duì)干涉配合鉚接質(zhì)量的影響，確定合理的釘孔工藝參數(shù)，為干涉配合鉚接工藝參數(shù)的制定進(jìn)行指導(dǎo)是現(xiàn)實(shí)有效的方法.

1 干涉配合鉚接過程仿真

1.1 DEFORM- 3D仿真前處理

仿真前處理過程主要包括幾何模型的創(chuàng)建、材料定義、網(wǎng)格劃分、摩擦與邊界條件確定以及模擬控制條件設(shè)定等.

1．1．1 幾何模型建立

鉚釘為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，鉚接件相對(duì)于鉚釘軸也是完全對(duì)稱的，所以在有限元分析時(shí)只取其1／4模型進(jìn)行分析.上夾層需锪鉆82°／30°雙錐頭窩，鉚釘與夾層材料的幾何尺寸見表1.應(yīng)用SolidWorks軟件創(chuàng)建仿真模型，把創(chuàng)建好的模型以.STL接口導(dǎo)入到DEFORM軟件中.定義鉚釘為塑性體，夾層為彈性體，因上下鉚模剛性要比鉚接件大的多，故視其為剛體.

1．1．2 材料屬性定義

在飛機(jī)制造業(yè)中常用的鉚釘與結(jié)構(gòu)件的材料分別為2117- T4和2024- T3鋁合金，在DEFORM- 3D中添加這兩種材料，分別命名為2117- T4和2024-T3.設(shè)置材料的詳細(xì)性能參數(shù)見表2，鉚釘和鋁合金板件在塑性變形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示［6］，并設(shè)定模擬溫度為20℃.

表1 鉚釘和夾層材料的幾何尺寸Tab.1 Geometrial dimensirns of rivet and sheets_

表2 鉚釘與板件的性能參數(shù)Tab.2 Properties of rivet and sheets

圖1 鉚釘和夾層材料塑性變形應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of rivet and sheets in the stage of plastic deformation

1．1．3 網(wǎng)格劃分

鉚釘?shù)你T接過程可以看作是釘桿上的金屬沿鉚釘軸向和徑向流動(dòng)的過程，隨著鉚釘?shù)溺叴忠约芭c夾層材料的接觸，材料的初始網(wǎng)格會(huì)產(chǎn)生畸變、退化，網(wǎng)格的嚴(yán)重畸變會(huì)導(dǎo)致求解精度的降低或者計(jì)算的不收斂，因此在有限元仿真過程中必須采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù).DEFORM- 3D具有強(qiáng)大的網(wǎng)格自動(dòng)劃分與重劃分功能，采用完全四面體網(wǎng)格劃分中的絕對(duì)網(wǎng)格劃分形式對(duì)鉚接模型中的變形體進(jìn)行網(wǎng)格劃分.而且，為提高仿真的精度和運(yùn)算速度，對(duì)鉚釘和釘孔接觸區(qū)域進(jìn)行局部更細(xì)的網(wǎng)格劃分，最終劃分好網(wǎng)格的幾何模型如圖2所示.

圖2 幾何模型和網(wǎng)格化分Fig.2 Geometric models and the meshing

1．1．4 摩擦與邊界條件設(shè)定添加各模型之間在鉚接過程中存在的接觸關(guān)系.鉚釘被鐓粗，因此選擇仿真的摩擦類型為剪切摩擦，根據(jù)軟件推薦的摩擦系數(shù)，設(shè)定鉚模與鋁合金模型之間的摩擦系數(shù)為0.12，鋁合金模型之間的摩擦系數(shù)為0.4，點(diǎn)擊全部生成按鈕，生成各模型間的接觸關(guān)系.由于采用1／4模型進(jìn)行仿真模擬，在模型兩對(duì)稱面的法向上沒有金屬的流動(dòng)，因此需要對(duì)鉚釘和夾層添加邊界條件.

1．1．5 仿真控制條件設(shè)定根據(jù)靜壓鉚接過程中壓鉚速度的實(shí)際應(yīng)用效果，綜合考慮壓鉚效率，常用的壓鉚速度為3.0～

5.0 mm／s.因?yàn)椴豢紤]速度對(duì)干涉量的影響，取上鉚模的壓鉚速度為3 mm／s.網(wǎng)格劃分最小單元尺寸約為0.3 mm，為了仿真收斂性及節(jié)約仿真時(shí)間，設(shè)定步長(zhǎng)為0.1 mm，仿真步數(shù)為50步，根據(jù)體積不變?cè)碛?jì)算出上鉚模的壓鉚位移作為仿真程序停止的條件.條件設(shè)定后檢查并生成DB文件，返回主頁(yè)面進(jìn)行仿真.

1.2 DEFORM- 3D仿真后處理

干涉配合鉚接過程也是鐓粗的釘桿使釘孔脹大的過程，干涉量就是釘孔被脹大的量.通過軟件點(diǎn)追蹤功能可測(cè)得鉚接后各測(cè)量點(diǎn)Pi（i=1，2，3，4）的徑向位移Si，即可計(jì)算出該部位的干涉量，測(cè)量點(diǎn)的位置如圖3所示.干涉量的表示又分為兩種，一種是絕對(duì)干涉量，如式（2）所示；另一種為相對(duì)干涉量，如式（3）所示.

式中，D0為鉚接前孔徑；D為鉚接后孔徑或釘桿直徑.

圖3 干涉量測(cè)量點(diǎn)位置Fig.3 Measuring locations of relative interference

2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉚接通用技術(shù)條件》，直徑為5 mm的實(shí)心鉚釘孔徑范圍為5.10～5.22 mm.為獲得一定的干涉量，干涉配合鉚接的釘孔直徑要比普通鉚接的釘孔直徑小，而且在干涉配合鉚接工藝過程中需要鉸孔，鉸孔直徑公差可控制在0.01 mm之內(nèi)，所以設(shè)置孔徑的尺寸分別為5.01，5.02，5.03，5.04，5.05，5.06，5.07，5.08，5.09，5.10，5.11，5.12，5.13和5.14 mm，對(duì)各孔徑參數(shù)下的模型進(jìn)行仿真模擬.為了分析孔徑對(duì)干涉配合鉚接質(zhì)量的影響，除孔徑參數(shù)外其它模擬參數(shù)均相同，圖4為不同釘孔直徑下各測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)干涉量.

圖4 不同孔徑下各測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)干涉量Fig.4 Relative interference amount at each measuring points with different apertures

由仿真結(jié)果可以看出，上夾層兩測(cè)量點(diǎn)P1與P2的相對(duì)干涉量隨著孔徑尺寸的增大而減?。幌聤A層兩測(cè)量點(diǎn)P3與P4處的相對(duì)干涉量在5.01～5.04 mm的孔徑范圍內(nèi)緩慢增加，隨后相對(duì)干涉量隨著孔徑尺寸的增大而逐漸減小.這是因?yàn)樵谏香T模與釘桿接觸后釘桿逐漸被鐓粗，墩頭窩和釘孔的過渡區(qū)域首先與被鐓粗的釘桿相接觸，由于釘孔間隙非常小，上夾層產(chǎn)生較大的干涉量阻礙了釘桿向下的金屬流動(dòng).隨著釘孔直徑的增大（5.01～5.04 mm之間），在釘桿被鐓粗的過程中金屬向下流動(dòng)的阻力變小，下夾層所得到的干涉量緩慢增加.隨著孔徑的進(jìn)一步增加，釘孔間隙加大，下夾層獲得的干涉量又逐步減小.

上夾層獲得的干涉量明顯的比下夾層所獲得的干涉量大，而且越靠近鉚釘頭的部位獲得的干涉量就越小.但P1與P2、P3與P4之間的相對(duì)干涉量在數(shù)值上比較接近，說明沿鉚釘軸線指向鉚釘頭的方向上各夾層之間獲得干涉量的難易程度不同，在鉚釘被鐓粗金屬向下流動(dòng)的過程中上夾層更容易獲得較大的干涉量，下夾層相對(duì)較難得到大的干涉量，整個(gè)鉚釘軸線上獲得的干涉量不夠均勻.要獲得較為均勻的干涉量，需要金屬?gòu)尼敆U的兩端向中間流動(dòng)，采用無頭鉚釘即可實(shí)現(xiàn)，該方法需要上下鉚模同時(shí)壓鉚，對(duì)設(shè)備要求較高.

根據(jù)前蘇聯(lián)的研究結(jié)果，鋁合金材料的相對(duì)干涉量應(yīng)在1.5%～3.0%之間［7］，該范圍內(nèi)的干涉量有利于鋁合金結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的提高.由仿真的結(jié)果可知，當(dāng)孔徑小于5.04 mm時(shí)，上夾層的相對(duì)干涉量大于3%；當(dāng)孔徑大于5.12 mm時(shí)，下夾層的相對(duì)干涉量小于1.5%.因此合理的孔徑范圍為5.04～5.12 mm.由仿真數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)孔徑為5.08～5.10 mm時(shí)，P1與P2，P3與P4的干涉量相差最小，推薦釘孔尺寸范圍為5.08～5.10 mm.

由仿真過程中的載荷行程曲線圖5可知，在填滿墩頭窩之前鉚接力緩慢的增加，待填滿墩頭窩之后鉚接力快速增大，最后反求出鉚接力大小約為21.7 kN.

3 結(jié) 論

應(yīng)用有限元分析軟件DEFORM- 3D模擬了平錐頭鉚釘?shù)母缮媾浜香T接過程，提高釘孔工藝參數(shù)對(duì)平錐頭鉚釘干涉配合鉚接質(zhì)量影響的認(rèn)識(shí)，增加鉚接成型的預(yù)見性.通過仿真分析得到合理的釘孔工藝參數(shù)，推薦材料為2117- T4，直徑為Φ5 mm的平錐頭鉚釘干涉配合鉚接的孔徑范圍為5.08～5.10 mm，鉚接變形需要的壓鉚力為21.7 KN.應(yīng)用有限元分析軟件研究工藝參數(shù)對(duì)鉚接質(zhì)量的影響，獲得基本能反映實(shí)際情況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免一些不合理的參數(shù)設(shè)置，從而可提高生產(chǎn)效率，降低成本.

圖5 載荷-行程曲線Fig.5 Riveting power-stroke curve

［1］ 曹增強(qiáng)，馮東格.理想干涉配合鉚接［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2012，23（4）：84-86.

［2］ 郝小忠，王珉，陳文亮.自動(dòng)鉆鉚最佳干涉量試驗(yàn)研究［J］.航空制造技術(shù)，2012（12）：77-79.

［3］ Mu W，Li Y，Zhang K，et al.An effective method of studying interference-fit riveting for 2117-T4 aluminum slug rivet［C］／／2010 International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering，Chengdu：IEEE，2010：303-307.

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［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(bào)，2012，30（4）：558-564.

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（編輯：董 偉）

Simulation of Interference-fit Riveting by Using the Software DEFORM-3D

LIWen-chao1， QIANWei1， YANQiang1， LIYu-hao2， ZHONGLiu-chun3
（1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；3.Shanghai Special Numerical Control Equipment and Technology Engineering Research Center，Shanghai 201111，China）

By using the finite element analysis software DEFORM- 3D，the models for flat cone head rivets were established under the technological condition of countersunk head interference-fit riveting.The dynamic process of interference-fit riveting of a single rivet was simulated.The radial displacement at a series of measuring points along the axial direction of nail holes under different technological parameters were measured，and the relative amount of interference between the rivets and rivet holes were calculated.The effect of interference amount on the fatigue life of structure was analysed.The reasonable parameters for aperture processing were achieved and the necessang riveting force for 5 mm diameter flat cone head rivets was accurately estimated.The study provides reliable dates for actual process test and production.

interference-fit；aperture；DEFORM- 3D；numerical simulation

TH 131.1；TP 391.9文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1007-6735（2014）05-0479-04

10.13255／j.cnki.jusst.2014.05.013

2013-08-28

上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（12DZ2250500）

李文超（1987-），男，碩士研究生.研究方向：航空航天自動(dòng)化裝配與制造.E-mail：liwenchao100＠126.com

錢 煒（1964-），男，副教授.研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論.E-mail：qyc0510＠163.com