基于DEFORM的10.9級短尾拉鉚釘有限元分析

伏 凱，劉 宇，趙祥云

（眉山南車緊固件科技有限公司，四川 眉山 620010）

0 引言

短尾拉鉚釘具有獨特的優(yōu)勢，其安裝方便、節(jié)約材料、噪音小、鉚接工具使用壽命長等，因此，在國內(nèi)10.9級短尾拉鉚緊固連接系統(tǒng)已運用于地鐵、城軌、高檔客車上的關(guān)鍵部位，也有用在重載、振動等惡劣工況的重型卡車上。本文基于DEFORM 軟件及現(xiàn)場試驗，研究10.9級短尾拉鉚釘在安裝使用中的鉚接力、拉脫力、應(yīng)力場、應(yīng)變場等情況，并與8.8級短尾拉鉚釘進行對比分析，并根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)計進行修正。

1 10.9級短尾拉鉚釘簡介

10.9級短尾拉鉚緊固連接系統(tǒng)由鉚釘和套環(huán)組成，其中鉚釘由冒頭、卸載槽、光桿、鎖緊槽、螺紋段和尾牙組成，套環(huán)由變形區(qū)、法蘭盤、凸點和卡齒組成，如圖1 和圖2所示。鉚釘冒頭根部設(shè)計有卸載槽，為了避免鉚接和使用過程中可能存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象。鉚釘鎖緊槽由環(huán)形槽和螺旋槽組成，螺旋槽便于套環(huán)旋入準備安裝，方便操作；環(huán)槽型可以有效保證連接后的可靠性，在振動的工況下，具有更好的防松性能。

圖1 10.9級短尾鉚釘Fig.1 Grade 10.9 Bobtail

圖2 10.9級套環(huán)Fig.2 Grade 10.9 collar

2 有限元分析模型建立

圖3為短尾拉鉚釘、套環(huán)、鉚接器槍頭和卡爪的有限元分析模型，鉚接時鉚接器槍頭軸向相對運動并擠壓套環(huán)變形，套環(huán)被擠壓到鉚釘環(huán)型槽中形成連接，拉脫時拉脫板軸向相對運動并對鉚釘和套環(huán)軸向施力，迫使套環(huán)從鉚釘環(huán)形槽中脫出，由于在鉚接過程和拉脫過程中套環(huán)和鉚釘環(huán)槽受到較大的變形和應(yīng)力，故對其采取局部細化網(wǎng)格提高模擬精度。

在DEFORM-2D 中，模擬過程計算步長的大小可以通過時間步長或者位移步長來定義。計算時任何節(jié)點每一步的最大位移不應(yīng)該超過變形體單元邊長的1/3，否則會增加網(wǎng)格畸變的速度。而對于一些特殊的變形過程，如拐角處金屬流動、快速成形以及類似的一些特殊變形過程，時間步長也許需要定義每一加載步長內(nèi)節(jié)點的最大位移不應(yīng)超過單元邊長的1/10[1～3]。因而，具有致密網(wǎng)格的模擬比具有較粗糙網(wǎng)格的模擬過程需要定義更小的時間步長。體積成型通常采用剪切摩擦模型，冷擠壓摩擦系數(shù)取0.08。在鉚接和拉脫過程中，鉚接器和拉脫板移動速度分別設(shè)置10mm/s，最小網(wǎng)格為0.05～0.07mm，設(shè)置為0.02mm。

圖3 高強度拉鉚釘有限元分析模型Fig.3 FEA of the high strength Bobtail

3 有限元結(jié)果分析

3.1 鉚接過程行程—載荷曲線分析

圖4為鉚接過程行程—載荷曲線圖，表1為高強度短尾拉鉚釘鉚接過程分析數(shù)據(jù)，可以看出隨著鉚接器載荷的增加，套環(huán)逐漸變形，鉚接過程行程與載荷呈近似線形關(guān)系，10.9級短尾拉鉚釘變形起始載荷和最大成型載荷均大于8.8級短尾拉鉚釘。

表1 鉚接過程行程載荷數(shù)值分析數(shù)據(jù)Tab.1 Force of analysis of riveting

圖4 鉚接過程-行程載荷曲線Fig.4 The curve of analysis of riveting

3.2 鉚接過程等效應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值分析

圖5～6 分別為套環(huán)、鉚釘鉚接過程等效應(yīng)力分布圖，圖7～8 分別為套環(huán)、鉚釘鉚接過程等效應(yīng)變分布圖，表2為鉚接過程應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)值分析數(shù)據(jù)。從圖表中可以得出：8.8級和10.9級短尾鉚釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力均出現(xiàn)在短尾環(huán)槽處，最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在與套環(huán)接觸的環(huán)槽頂部；套環(huán)最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在鉚接時槍頭喇叭口處套環(huán)與鉚釘環(huán)槽頂部接觸處，最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在與鉚釘環(huán)槽接觸處。

圖5套環(huán)等效應(yīng)力分布圖Fig.5 Equivalent stress analysis of the collar

表2 鉚接過程數(shù)值分析數(shù)據(jù)Tab.2 Data analysis of riveting

圖6 鉚釘?shù)刃?yīng)力分布圖Fig.6 Equivalent stress analysis of the Bobtail

圖7套環(huán)等效應(yīng)變分布圖Fig.7 Equivalent stress analysis of the collar

3.3 拉脫過程行程—載荷曲線分析

圖9 是拉脫過程行程載荷曲線，從圖中可以看出拉脫過程分：①載荷增加行程幾乎不變，短尾鉚釘和套環(huán)處于彈性變形區(qū)域；②載荷增加，行程增加，套環(huán)開始

圖8 鉚釘?shù)刃?yīng)變分布圖Fig.8 Equivalent strain analysis of the Bobtail

圖9 短尾拉鉚釘拉脫過程行程載荷曲線Fig.9 The curve for bobtail during breaking

變形；③行程增加，載荷降低，鉚釘和套環(huán)分離。短尾拉鉚釘和套環(huán)拉脫數(shù)據(jù)見表3，從表中可以看出10.9 短尾拉鉚釘拉脫力明顯大于8.8級短尾拉鉚釘拉脫力，兩者均符合TJ00009-2012 以及運裝貨車 [2010]575 號文件等文件中規(guī)定的力學(xué)性能要求[4]。

表3 拉脫過程行程載荷數(shù)據(jù)（kN）Tab.3 Loading data during breaking process

表4 鉚接過程鉚接工具應(yīng)力（MPa）Tab.4 Stress analysis of tooling during operation

3.4 安裝使用過程中工具受力分析

圖10 是鉚接過程卡爪應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡爪環(huán)槽底部和受力面處，圖11 是鉚接過程槍頭應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在與套環(huán)接觸處得變形過渡帶（喇叭口）。鉚接過程卡爪和槍頭最大應(yīng)力情況見表4，因此，卡爪和槍頭需要使用高強度工具鋼材料。

4 力學(xué)性能試驗

用萬能試驗儀和多路顯示儀等設(shè)備對10.9級短尾拉鉚釘進行力學(xué)性能試驗，按照相關(guān)標準，拉鉚釘試驗項目主要有壓緊力、剪切力、拉脫力等試驗，試驗數(shù)據(jù)如表5所示。從試驗數(shù)據(jù)中分析可得，10.9級短尾拉鉚釘試驗值符合企業(yè)技術(shù)文件等要求。

圖10 鉚接時卡爪等效應(yīng)力分布圖Fig.10 Equivalent stress analysis for holder during operation

圖11 鉚接時槍頭等效應(yīng)力分布圖Fig.11 Equivalent stress analysis for head during operation

表5 10.9級短尾拉鉚釘力學(xué)性能試驗（kN）Tab.5 Mechanical testing for grade 10.9 Bobtail

5 結(jié)束語

通過DEFORM 軟件和試驗的方式對10.9級短尾拉鉚釘進行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）利用剛塑性有限元理論對10.9級短尾拉鉚釘?shù)脑O(shè)計進行分析，得出10.9級短尾拉鉚釘在安裝使用過程中的鉚接行程載荷曲線、應(yīng)力場、應(yīng)變場和拉鉚銷使用過程中的拉脫行程載荷曲線、應(yīng)力場、應(yīng)變場等情況，并與8.8級短尾拉鉚釘進行對比分析。

（2）通過對鉚接工具應(yīng)力分析得出安裝使用過程中鉚接工具的應(yīng)力分布情況。

（3）分析結(jié)果顯示鉚釘結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安裝使用性能良好，鉚接后力學(xué)性能符合設(shè)計要求。

[1]潘雋.基于Deform的錐齒輪冷精鍛組合凹模研究[D].浙江工業(yè)大學(xué),2011.

[2]劉建生，陳慧琴，郭曉霞.金屬塑性加工有限元模擬技術(shù)與應(yīng)用[M].冶金上業(yè)出版社，2003.

[3]李尚健.金屬塑性成形過程模擬[M].機械工業(yè)出版社，1999.

[4]GB/T3098.1-2000.螺栓螺釘螺柱機械性能[S].