壓鉚連接參數(shù)化建模及性能分析

陸凱雷，宋偉偉，劉貴

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025)

0 引言

壓鉚螺母的結(jié)構(gòu)區(qū)別于普通螺母，其含有防扭轉(zhuǎn)的花齒結(jié)構(gòu)和防拉脫的溝槽結(jié)構(gòu)[1]。它的工作原理是將壓鉚螺母壓入連接板件的預(yù)置孔內(nèi)，使得板件的孔周圍材料發(fā)生塑性變形而填充入防拉脫溝槽內(nèi)，以達(dá)到鎖緊的目的。

壓鉚螺母裝配方便，廣泛地運(yùn)用于很多空間狹窄等無(wú)法使用普通緊固連接的場(chǎng)合[2]。在實(shí)際使用中，由于選型和設(shè)計(jì)等不當(dāng)因素出現(xiàn)連接不牢靠的現(xiàn)象，特別是應(yīng)用在電力設(shè)備中，將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行。本文分析了板件的類型、預(yù)置孔的半徑對(duì)壓鉚連接性能的影響，對(duì)選型和設(shè)計(jì)有一定的參考意義，以降低連接不牢靠而造成的損失。

壓鉚螺母的型號(hào)眾多、結(jié)構(gòu)相同，若每次分析時(shí)都重新建立模型，需要花費(fèi)大量時(shí)間。因此，本文運(yùn)用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言建立壓鉚螺母的參數(shù)化模型。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)值，可迅速自動(dòng)生成所需的分析模型，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。

1 參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分以及求解設(shè)置

建立參數(shù)化模型，關(guān)鍵是能明確表達(dá)模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)變量以及它們之間的關(guān)系。壓鉚連接結(jié)構(gòu)參數(shù)變量如表1所示，壓鉚連接模型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

表1 壓鉚連接主要結(jié)構(gòu)參數(shù)變量

圖1 壓鉚結(jié)構(gòu)示意圖

在分析壓鉚件的幾何結(jié)構(gòu)和材料特性的過(guò)程中使用了下面幾個(gè)假設(shè)[3]：壓鉚螺母和預(yù)置孔在壓鉚過(guò)程中各個(gè)位置的變形都是與中心軸對(duì)稱的，忽略壓鉚螺母內(nèi)螺紋，建立二維軸對(duì)稱參數(shù)化模型；壓鉚螺母和連接板件的材料都滿足各向同性，且發(fā)生塑性變形時(shí)，材料滿足各向同性強(qiáng)化準(zhǔn)則。

運(yùn)用APDL由底向上建立壓鉚連接的參數(shù)化模型。選取PLANE182單元，設(shè)置關(guān)鍵字KEYOPT(3)=1。選擇材料模型，根據(jù)壓鉚螺母和連接板件的材料特性設(shè)置相關(guān)參數(shù)。然后，使用自由網(wǎng)格劃分和映射劃分相結(jié)合的方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)壓鉚接觸位置的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理以增加分析的準(zhǔn)確性，其有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

壓鉚過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的材料非線性和幾何非線性的問(wèn)題。壓鉚螺母和板的連接是面-面接觸，選用CONTA172和TARGE169面-面接觸單元來(lái)模擬壓鉚連接，建立接觸對(duì)，在屬性中對(duì)接觸算法、接觸剛度、摩擦系數(shù)等進(jìn)行設(shè)置[4-5]。此外，在求解設(shè)置選項(xiàng)中采用大變形，并且通過(guò)減少載荷步時(shí)間和增加迭代計(jì)算的次數(shù)來(lái)提高壓鉚過(guò)程的收斂。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 壓鉚連接的數(shù)值模擬

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件[6-7]對(duì)壓鉚連接進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

圖3 壓鉚后應(yīng)變?cè)茍D

由圖3可知，沿著板孔的軸線方向，應(yīng)變量逐漸變小，花齒與板件接觸位置的應(yīng)變最大，在臺(tái)肩處的應(yīng)變達(dá)到了0.39mm。在板件的長(zhǎng)度方向上，變形量也是逐漸變小，孔周圍材料變形較大，應(yīng)變達(dá)到了0.2mm。遠(yuǎn)離孔的板件沒(méi)有發(fā)生變形，完全符合圣維南原理[8]。板件被壓入螺母的溝槽內(nèi)，可以有效地增強(qiáng)壓鉚螺母能夠承受的拉脫力，即保證了壓鉚連接的可靠性。

2.2 板件孔徑對(duì)壓鉚的影響

壓鉚件上預(yù)置孔的半徑應(yīng)該略大于螺母端部外徑C，這樣螺母才能放進(jìn)預(yù)置孔內(nèi)。但是，孔徑過(guò)大會(huì)造成壓鉚連接的不牢靠。在保證螺母型號(hào)、基材等條件相同的情況下，分析不同預(yù)置孔的孔徑對(duì)壓鉚連接性能的影響。選擇型號(hào)為S-M4-2的壓鉚螺紋，壓接板孔徑D取5種情況，見(jiàn)表2。

運(yùn)用有限元模擬計(jì)算后，從后處理結(jié)果中查看螺母溝槽與板件接觸位置節(jié)點(diǎn)上的支反力，將所有支反力沿中心軸線的分力相加就得到了壓鉚連接的推出力。推出力是考量壓鉚連接牢固程度的一個(gè)重要因素，它的值越大表明壓鉚連接越牢固以及脫落的可能性越小。5種孔徑壓鉚連接推出力有限元分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同孔徑下推出力變化曲線

由圖4可知，孔徑D=2.7mm時(shí)，壓鉚連接能承受的推出力為1 410N；孔徑D=2.78mm時(shí)，推出力只有760N。隨著孔徑的增加，壓鉚螺母的推出力逐漸減小。這是因?yàn)榘寮字車牧鲜軌毫Ρ粩D進(jìn)溝槽中，使螺母與板件連接。當(dāng)孔徑增大時(shí)，被壓入溝槽中的材料變少，接觸區(qū)域也變小。因此，其所能承受的推出力也變小。這表明，為了保證壓鉚連接的可靠性，板件的孔徑應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)。

2.3 實(shí)驗(yàn)與有限元分析對(duì)比

根據(jù)表2中的孔徑尺寸加工試件，在試件的一面壓裝壓鉚螺母，從另一面擰對(duì)應(yīng)尺寸的螺釘，與板件保持一定的間距。然后，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣件進(jìn)行壓縮，如圖5所示。試驗(yàn)機(jī)后臺(tái)記錄的最大壓力就是壓鉚連接的推出力。

為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種孔徑加工了8個(gè)試驗(yàn)孔，然后計(jì)算8個(gè)孔推出力的平均值。5種孔徑的推出力平均值如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)樣件與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

圖6 不同孔徑推出力試驗(yàn)平均值曲線

由圖6知，隨著孔徑的增大，平均推出力的值從1 320N下降到了660N。試驗(yàn)得到的平均推出力與有限元分析在數(shù)值上有所差異，這是因?yàn)橛邢拊治鲞M(jìn)行了一些假設(shè)，并且壓鉚螺母與安裝孔關(guān)于中心軸對(duì)稱，而實(shí)際安裝時(shí)很難保證其在孔的正中位置，會(huì)出現(xiàn)偏差。但是，有限元分析得到的推出力與試驗(yàn)的推出力總體的變化趨勢(shì)保持一致且數(shù)值差距不大。因此，有限元分析結(jié)果對(duì)壓鉚的設(shè)計(jì)工作具有一定的參考意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究考慮拉脫和塑性變形兩方面，運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立了壓鉚連接的參數(shù)化有限元模型，研究了板孔徑大小對(duì)壓鉚連接可靠程度的影響。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可知，板的孔徑大小對(duì)壓鉚連接的推出力影響較大，需要嚴(yán)格控制在一定的范圍內(nèi)，對(duì)壓鉚設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。