壓鉚連接參數化建模及性能分析

陸凱雷，宋偉偉，劉貴

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025)

0 引言

壓鉚螺母的結構區別于普通螺母，其含有防扭轉的花齒結構和防拉脫的溝槽結構[1]。它的工作原理是將壓鉚螺母壓入連接板件的預置孔內，使得板件的孔周圍材料發生塑性變形而填充入防拉脫溝槽內，以達到鎖緊的目的。

壓鉚螺母裝配方便，廣泛地運用于很多空間狹窄等無法使用普通緊固連接的場合[2]。在實際使用中，由于選型和設計等不當因素出現連接不牢靠的現象，特別是應用在電力設備中，將會嚴重影響設備的正常運行。本文分析了板件的類型、預置孔的半徑對壓鉚連接性能的影響，對選型和設計有一定的參考意義，以降低連接不牢靠而造成的損失。

壓鉚螺母的型號眾多、結構相同，若每次分析時都重新建立模型，需要花費大量時間。因此，本文運用APDL參數化設計語言建立壓鉚螺母的參數化模型。通過設置相應的參數值，可迅速自動生成所需的分析模型，大大縮短了設計時間。

1 參數化建模、網格劃分以及求解設置

建立參數化模型，關鍵是能明確表達模型結構的參數變量以及它們之間的關系。壓鉚連接結構參數變量如表1所示，壓鉚連接模型的結構示意圖如圖1所示。

表1 壓鉚連接主要結構參數變量

圖1 壓鉚結構示意圖

在分析壓鉚件的幾何結構和材料特性的過程中使用了下面幾個假設[3]：壓鉚螺母和預置孔在壓鉚過程中各個位置的變形都是與中心軸對稱的，忽略壓鉚螺母內螺紋，建立二維軸對稱參數化模型；壓鉚螺母和連接板件的材料都滿足各向同性，且發生塑性變形時，材料滿足各向同性強化準則。

運用APDL由底向上建立壓鉚連接的參數化模型。選取PLANE182單元，設置關鍵字KEYOPT(3)=1。選擇材料模型，根據壓鉚螺母和連接板件的材料特性設置相關參數。然后，使用自由網格劃分和映射劃分相結合的方式對模型進行網格劃分，同時對壓鉚接觸位置的網格進行細化處理以增加分析的準確性，其有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

壓鉚過程是一個比較復雜的材料非線性和幾何非線性的問題。壓鉚螺母和板的連接是面-面接觸，選用CONTA172和TARGE169面-面接觸單元來模擬壓鉚連接，建立接觸對，在屬性中對接觸算法、接觸剛度、摩擦系數等進行設置[4-5]。此外，在求解設置選項中采用大變形，并且通過減少載荷步時間和增加迭代計算的次數來提高壓鉚過程的收斂。

2 數值模擬分析

2.1 壓鉚連接的數值模擬

運用ANSYS有限元分析軟件[6-7]對壓鉚連接進行數值模擬，計算得到應變云圖如圖3所示。

圖3 壓鉚后應變云圖

由圖3可知，沿著板孔的軸線方向，應變量逐漸變小，花齒與板件接觸位置的應變最大，在臺肩處的應變達到了0.39mm。在板件的長度方向上，變形量也是逐漸變小，孔周圍材料變形較大，應變達到了0.2mm。遠離孔的板件沒有發生變形，完全符合圣維南原理[8]。板件被壓入螺母的溝槽內，可以有效地增強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 板件孔徑對壓鉚的影響

壓鉚件上預置孔的半徑應該略大于螺母端部外徑C，這樣螺母才能放進預置孔內。但是，孔徑過大會造成壓鉚連接的不牢靠。在保證螺母型號、基材等條件相同的情況下，分析不同預置孔的孔徑對壓鉚連接性能的影響。選擇型號為S-M4-2的壓鉚螺紋，壓接板孔徑D取5種情況，見表2。

運用有限元模擬計算后，從后處理結果中查看螺母溝槽與板件接觸位置節點上的支反力，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，壓鉚連接能承受的推出力為1 410N；孔徑D=2.78mm時，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。這是因為板件孔周圍材料受壓力被擠進溝槽中，使螺母與板件連接。當孔徑增大時，被壓入溝槽中的材料變少，接觸區域也變小。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，板件的孔徑應該控制在一定的范圍內。

2.3 實驗與有限元分析對比

根據表2中的孔徑尺寸加工試件，在試件的一面壓裝壓鉚螺母，從另一面擰對應尺寸的螺釘，與板件保持一定的間距。然后，使用萬能試驗機對樣件進行壓縮，如圖5所示。試驗機后臺記錄的最大壓力就是壓鉚連接的推出力。

為了保證試驗的準確性，每種孔徑加工了8個試驗孔，然后計算8個孔推出力的平均值。5種孔徑的推出力平均值如圖6所示。

圖5 試驗樣件與萬能試驗機

圖6 不同孔徑推出力試驗平均值曲線

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。試驗得到的平均推出力與有限元分析在數值上有所差異，這是因為有限元分析進行了一些假設，并且壓鉚螺母與安裝孔關于中心軸對稱，而實際安裝時很難保證其在孔的正中位置，會出現偏差。但是，有限元分析得到的推出力與試驗的推出力總體的變化趨勢保持一致且數值差距不大。因此，有限元分析結果對壓鉚的設計工作具有一定的參考意義。

3 結語

本研究考慮拉脫和塑性變形兩方面，運用ANSYS有限元軟件建立了壓鉚連接的參數化有限元模型，研究了板孔徑大小對壓鉚連接可靠程度的影響。通過對計算結果的分析可知，板的孔徑大小對壓鉚連接的推出力影響較大，需要嚴格控制在一定的范圍內，對壓鉚設計具有一定的參考意義。