鉚接干涉量對疲勞壽命的影響分析

楊悅，余路，蔣紅宇，王宇波

(上海飛機制造有限公司，上海 200436)

0 引言

連接技術是機體裝配的基礎技術，提高連接質量是保障飛機機體長壽命的重要因素[1～2]。鉚接作為機械連接的一種，是飛機構件連接的主要方式，具有較穩定的連接結構，而且其操作容易，可以用于較復雜的復合材料和金屬。例如一架普通民用飛機上的鉚釘可達到100多萬件[3]。鉚釘主要是通過鉚接工藝進行結構連接。因此，為了實現飛機安全可靠地服役，首要任務就是提高構件的鉚接質量。

相對于傳統鉚接技術，干涉鉚接技術[4]可以實現構件連接的較高和較均勻的干涉量，不僅可以達到飛機減重的需求，而且可以成倍地提高構件的疲勞性能，減小構件裂紋的發生，是滿足高質量、高壽命、低成本的主要方法之一[5]。因此干涉鉚接技術具有突出的技術優點，針對夾層厚度較大的鉚接構件，也可實現整個釘桿的干涉配合[6-7]。目前影響干涉量數值及均勻性的因素包括鉚接力等工藝參數、鉚釘材質等結構因素及鉚接方法和設備。

1 鉚接變形受力的有限元分析

1.1 鉚接受力過程分析

根據鉚接的成形機理，可將鉚接過程分成4個變形階段：自由鐓粗變形、彈性變形、塑性變形、彈性回彈階段[8～9]。通過采用deform軟件進行鉚接過程的有限元仿真分析，觀察鉚接受力過程的加載情況，如圖1所示。

根據仿真的受力情況分析，結合鉚接變形的特點，對鉚接過程做進一步的簡化分析：初始時為自由鐓粗變形，變形過程平穩，材料的流動阻力相對較小，載荷保持平穩上升；隨著行程的增加，變形受到孔周的約束，變形抗力增大，與接觸面的摩擦力也增大，因此載荷迅速增大；直至鉚接過程結束。

圖1 承受載荷隨下壓行程的變化曲線

1.2 鉚接仿真模型構建[10]

本仿真采用的鉚釘直徑為4 mm，連接構件為2024-T3鋁合金。材料參數如表1所示，假設壓鉚設備為理想剛體。

表1 金屬材料性能

表1中：E為楊氏模量；ν為泊松比；ρ為密度；σs為屈服強度；σb為拉伸強度。

仿真設置如下：

1)模型導入：通過CATIA軟件建立鉚釘和連接構件的模型，導入Deform中。本試驗以凸頭鉚釘工藝模型為研究對象。

2)仿真屬性設置：鉚接過程屬于冷鉚，工作環境溫度設為20℃，鋁合金之間接觸摩擦系數為0.3，其他接觸摩擦系數為0.12。

3)網格重劃分：鉚釘和連接件為塑性變形，按照四面體網格進行劃分。

4)設定模擬條件：存儲步驟為133步，每10步存一次。

1.3 鉚接過程及應力變化分析

通過有限元仿真，獲得鉚接后鉚釘和連接板的應力狀態，見圖2(行程下壓5.32 mm，即鐓頭高度為1.98 mm時應力情況)。通過應力分析，獲得鉚接中鉚釘和連接板的應力集中部位。

結果表明：隨著不斷進行的鉚接過程，鉚釘的最大應力處為與工件接觸的下表面。工件的最大應力處為孔周與鉚釘鐓頭接觸處，此兩點是受力薄弱點，易產生疲勞裂紋，所以實際裝配中，提高這兩處部位的承載能力可以有效保證鉚接質量，提高疲勞壽命[11]。

圖2 圓頭鉚鉚接

1.4 鉚接干涉量的有限元分析結果討論

通過仿真過程中控制孔徑和鐓頭尺寸，獲得鉚接干涉量的大小及均勻性，為后續減少試驗次數，提供技術依據。

干涉量的測量方法：通過沿釘桿方向，每隔0.4 mm，依次取10個點，然后按式(4)、式(5)計算干涉量。

絕對干涉量：

E=D′-D

(4)

相對干涉量：I=[(D′-D)/D]×100

(5)

式中：D′為鉚接后的鉚釘直徑；D為鉚接前緊固孔直徑。

通過工藝參數的控制獲得鉚接沿釘桿方向的等效應變情況。仿真發現當鉚模下壓量為5.32 mm，即鐓頭高度為1.98 mm時，能獲得最大的鉚接干涉量，如表2所示。

表2 鉚接有限元干涉量數據分析

通過有限元仿真分析鉚接過程，研究了鉚接工藝過程和鉚接后的應力、應變情況，通過鐓頭高度和孔徑尺寸的工藝參數控制，分析了鉚接干涉量大小及均勻性情況。仿真結果可以發現：

1)仿真分析鉚接過程中的鉚接力隨著鉚接下壓量的增加，呈現平穩變化后大幅度增加的趨勢，鉚接力的變化趨勢與理論的鉚接工藝過程吻合。

2)仿真分析鉚接干涉量的大小和均勻性情況，干涉量的大小呈現楔形形狀，沿釘桿從鐓頭向釘頭方向呈現遞減的趨勢，減少趨勢逐漸平緩。

3)仿真分析鉚接后的應力情況，獲得最易出現裂紋的危險截面，即鉚釘和連接板的連接接觸面，此處承受的應力最大。

4)仿真分析發現通過工藝參數研究干涉量的情況，獲得最佳的工藝參數，即鐓頭高度為1.98 mm，孔徑尺寸為4.1 mm的干涉量相對較大。

2 鉚接疲勞壽命分析

2.1 鉚接疲勞增益理論

基于塑性變形的主應力方法和受力機理分析，構建鉚接物理模型，以進入屈服的金屬板為研究對象，如圖3所示。

圖3 連接板受力分析示意圖

建立受力平衡方程，求解得鉚接變形受力模型，如下式：

(1)

(2)

(3)

分析上述的鉚接變形受力模型，進行討論分析：

根據疲勞增益理論，鉚接產生的干涉應力可以顯著提高疲勞性能。根據式(1)-式(3)的函數關系，干涉量范圍在[0,4%]內，干涉應力與干涉量成正比關系。所以，在一定范圍內，鉚接干涉量越大，干涉應力也越大，對提高疲勞壽命越有益。

綜上，通過控制工藝參數達到控制干涉量的大小，以期獲得最佳的干涉應力，提高構件的疲勞性能，可以實現長壽命、高質量的裝配。

2.2 試驗方案驗證

以疲勞壽命作為評價鉚接干涉應力的評價指標，研究鉚接干涉量大小對試件疲勞壽命的影響，驗證鉚接變形受力模型。

試驗驗證平臺主要包括數控機床、氣動壓鉚機、疲勞試驗機和光學影像測量儀等。

連接件材料為航空用鋁合金2024-T3，采用疊層制孔，疊層區的長度為20 mm，結構形式如圖4所示。

圖4 疲勞試件的結構形式

通過進行靜載試驗確定兩個不同等級載荷下的疲勞試驗，試驗方案如表3所示。

表3 疲勞試驗方案

運用自動制孔和壓鉚進行疲勞試件制備，鉚接干涉量影響疲勞性能的試驗流程如下：

1)材料準備、試件標記；

2)機器制孔，控制孔徑尺寸為4.00 mm；

3)清理、去毛刺；

4)測量孔徑并做記錄；

5)進行壓鉚，控制鐓頭高度為1.6～3.2 mm；

6)測量鐓頭尺寸并記錄；

7)剖切試驗及干涉量測量；

8)數據分析。

2.3 鉚接試件疲勞試驗結果分析和討論

通過應力級別分別為1.19 kN和1.39 kN的共90組試件的干涉量測量和疲勞試驗結果分析討論，發現試件的疲勞裂紋都是出現在連接板上，其破壞形式是連接板受拉應力破壞，所以本論文的受力模型是以連接板為研究受力對象，該結果符合理論、仿真和試驗情況。

通過測量鉚接后的孔徑，計算獲得試件干涉量，去除干涉不完全及奇異點，獲得兩個應力水平下的試件干涉量和疲勞壽命，并利用origin進行數據擬合，得到兩應力級別下干涉量與疲勞壽命的關系擬合曲線，如圖5所示。

1)試驗獲得的干涉量和干涉應力，干涉量與疲勞壽命干涉應力隨著干涉量的增加，也不斷增大，疲勞壽命呈遞增變化；

2)干涉量處于[0,3%]內，即最佳干涉量時，疲勞壽命處于最大值，此時的干涉量能最大限度地保證結構件的疲勞壽命；

3)當干涉量繼續增加時，此時的干涉應力過大，會造成孔邊裂紋增長，導致結構件疲勞壽命降低。

討論發現，試驗獲得干涉量對鉚接壽命的影響與理論的鉚接變形受力模型的干涉量范圍基本一致，通過該模型，可以獲得最佳干涉量的范圍，對鉚接變形的分析和鉚接工藝具有工程指導意義。

圖5 不同應力載荷下試件的擬合曲線

3 結語

本文基于塑性力學中鐓粗的變形受力特點，采用仿真與試驗研究手段，得出以下結論：

1)基于鉚接過程機理分析，結合有限元仿真結果，獲得鉚接過程的受力變化情況：鉚接初始為自由鐓粗變形，材料所受的流動阻力較小，載荷保持平穩上升；隨著行程的增加，變形受到孔周的約束，變形抗力增大，與接觸面的摩擦力也增大，因此載荷迅速增大，直至鉚接過程結束。

2)通過建立鉚接變形受力模型，探討獲得鉚接干涉量與干涉應力的關系：在一定范圍內，干涉應力隨著干涉量增加而變大，越大的干涉應力對提高疲勞壽命越有益。

3)通過控制鐓頭高度獲得不同干涉量數值，開展鉚接干涉量大小對試件疲勞壽命的影響分析，隨著干涉量的增加，干涉應力也不斷增大，疲勞壽命呈現明顯遞增趨勢，直到達到最佳干涉量的數值。所以，該方法可以獲得能保證構件高質量長壽命連接的最佳干涉量范圍。

4)鉚接干涉量決定了鉚接干涉應力的大小，而鉚接干涉應力直接影響了疲勞壽命，由于前期對于鉚接試驗件的干涉應力測量缺少方法，未做測量，所以導致鉚接變形的受力模型無法進行定量的驗證，只能進行定性分析，希望后期能通過試驗進一步地進行驗證。