基于HB6230實心鉚釘模型的釘頭劃傷分析

楊亞洲

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

1 引 言

由于技術條件的制約以及維護性方面的需要，鉚接仍然是航空領域結構連接最常用的緊固方式[1]。除由于鉚接質(zhì)量本身而產(chǎn)生的故障外，鉚釘釘頭劃傷也是飛機制造過程中常見的生產(chǎn)故障。針對較嚴重且空間開敞位置的釘頭劃傷問題，生產(chǎn)中往往直接更換新鉚釘。然而，對于某些特殊部位的飛機結構，更換鉚釘需要付出較大的經(jīng)濟與時間代價，且在分解故障鉚釘?shù)倪^程中容易損傷原釘孔，進而引起其他故障。對于輕微的釘頭劃傷，生產(chǎn)中會采用打磨的方式去除劃痕。因此，研究不同劃傷量對鉚釘釘頭強度的影響具有重要的工程實際意義。

目前，國內(nèi)外對劃傷問題的研究更多集中在材料層面及劃傷表面形貌等方面，對實際結構的劃傷研究較少。文獻[2]建立了MDYB-3的有機玻璃劃傷模型，給出了玻璃劃傷剩余強度準則和劃傷容限計算方法。文獻[3]利用掃描電鏡研究了690TT合金的劃傷表面形貌。文獻[4]采用有限元和試驗方法研究了不同劃傷量對復合材料層合板在拉伸載荷作用下的影響。文獻[5]研究了不同劃傷量對690合金腐蝕行為的影響。

本文基于HB6230實心鉚釘建立了3種劃傷深度、3種劃傷角度，共計9種鉚釘釘頭劃傷模型，采用有限元方法計算分析不同深度和角度的劃傷模型在相同拉伸載荷作用下的釘頭應力水平。

2 劃傷模型的建立

劃傷的實際形態(tài)多種多樣，但其截面形狀可大致由深度h、角度α、曲率半徑ρ描述[6]。受制于測量手段，目前仍難以給出實際劃傷的具體參數(shù)值。由于鉚釘自身尺寸較小，本文建模時假設劃傷是尖銳的(ρ=0)，具體劃傷參數(shù)見表1。

表1 劃傷參數(shù)

本文在HB6230實心鉚釘模型基礎上建立釘頭劃傷模型，其中劃傷位置設置在鉚釘釘頭中央，材料參數(shù)為：彈性模量(E)70GPa，泊松比(υ)0.33。為減少計算量，僅截取釘頭部分并采用二分之一模型。模型如圖1所示，釘桿部分主要采用結構網(wǎng)格，釘頭及部分釘桿區(qū)域采用非結構網(wǎng)格，并在釘頭R角和劃傷區(qū)域進行網(wǎng)格加密。

圖1 實心鉚釘模型(左)及對應網(wǎng)格模型(右)

載荷和邊界條件如圖2所示，沿釘桿軸線方向施加21.23MPa的均布拉伸載荷，模型對稱面采用對稱邊界條件，軸線上的節(jié)點限制X和Y方向的位移，釘頭端面限制Z向位移。

(a)載荷 (b)對稱面邊界條件

(c)軸線處邊界條件 (d)釘頭端面邊界條件圖2 載荷和邊界條件

3 計算結果分析

使用ABAQUS軟件對9種劃傷模型進行計算，并提取釘頭非結構網(wǎng)格區(qū)域軸線處的Mises應力進行分析。由于有限元細節(jié)模型很難精確計算，本文設置了無劃傷的對照模型，采用對比的方法分析計算結果。

各模型應力云圖采用統(tǒng)一的應力數(shù)值范圍，如圖3所示。從云圖中可以看出，高應力區(qū)域集中在釘桿與釘頭的R角位置。無劃傷的鉚釘釘頭端部中央位置存在一塊應力水平比周邊區(qū)域高的區(qū)域。分析可知，鉚釘在軸向拉伸載荷作用下，釘頭端部材料將向中心擠壓，進而提高了中心區(qū)域的應力水平。而帶劃傷的模型由于劃傷的存在，釘頭端部中央劃傷區(qū)域材料變形限制得到釋放，該區(qū)域應力水平降低，但劃傷尖端附近由于應力集中及材料變形限制的存在，該區(qū)域應力水平有所提高，且區(qū)域范圍隨劃傷深度增加而擴大。

(a)對照模型 (b)0.1-20°

(c)0.1-30° (d)0.1-45°

(e)0.2-20° (f)0.2-30°

(g)0.2-45° (h)0.3-20°

(i)0.3-30° (j)0.3-45°圖3 劃傷模型Mises應力云圖

圖4為提取的釘頭軸線處的Mises應力數(shù)值，其中橫軸為模型軸線坐標，正方向為釘桿到釘頭端部方向。結果表明，劃傷深度與角度對劃傷附近的應力水平均有一定影響。圖中方框內(nèi)數(shù)據(jù)表明，劃傷使得釘頭軸線區(qū)域應力水平降低，且下降程度與劃傷深度正相關而與劃傷角度無關。劃傷尖端附近應力水平明顯提高，且劃傷尖端位置均是45°劃傷對應的應力水平最高。

圖4 釘頭軸線處Mises應力數(shù)值

4 對打磨去除劃傷方式的評估

實際生產(chǎn)中，對于輕微的劃傷，為避免分解鉚釘可能帶來的時間與經(jīng)濟方面的代價，會采用打磨的方式去除劃痕。本文在劃傷模型的基礎上，假設釘頭被均勻打磨，建立了去除劃傷后的鉚釘釘頭打磨模型，采用有限元分析方法計算打磨模型在拉伸載荷作用下的應力水平。

圖5為3種劃傷深度對應的打磨模型及對照模型的應力云圖(采用統(tǒng)一的應力數(shù)值范圍顯示)，可以看出，隨著打磨深度的增加，釘頭端部中央較高應力水平區(qū)域的范圍在不斷擴大。圖6為釘頭非結構網(wǎng)格區(qū)域軸線處的Mises應力數(shù)值，可以看出，打磨處理方式使得釘頭區(qū)域應力水平在x方向上先降低后增加，且隨著打磨深度的增加，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。打磨模型釘頭端部應力增幅如表2所示，從端部應力增幅來看，0.1mm深度的劃傷在打磨處理后，端部應力增幅小于10%。

(a)對照模型 (b)RS01(打磨0.1mm)

(c)RS02(打磨0.2mm) (d)RS03(打磨0.3mm)圖5 打磨模型Mises應力云圖

圖6 釘頭軸線處Mises應力數(shù)值

表2 打磨模型釘頭端部應力增幅

5 結 論

本文建立了實心鉚釘釘頭劃傷模型及相應的打磨模型，通過模型計算結果之間的對比，可以得出以下結論：

(1)劃傷深度與角度對劃傷尖端附近區(qū)域均有較大影響，而在離劃傷尖端較遠的區(qū)域，劃傷使得釘頭軸線上應力水平有所降低，下降程度與劃傷深度正相關而與劃傷角度無關；

(2)0.1mm深度的劃傷在打磨處理后，鉚釘釘頭端部應力增幅小于10%。