鉚釘結構材料非線性分析

陳大漢 趙杰

安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，中國·安徽 合肥 230000

1 引言

在鉚釘結構使用時非線性特征明顯，對結構材料非線性分析具有重要意義。基于此，專家學者對鉚釘結構受力性能及非線性特性做了一系列研究。蘇明周[1]等人在預緊力以及抗剪承載力兩方面研究了栓群效應對于環槽鉚釘連接的縱向接縫承載力的影響。Christophe[2]探索了一種使用創新碳纖維增強聚鉚釘的替代緊固解決方案。法洋洋[3]提出混合失效準則研究鉚釘結構的破壞機理。上述研究對鉚釘結構材料非線性的探索十分有限，論文基于ANSYS對鉚釘結構進行材料非線性分析，通過建立有限元模型進行結構模態、靜力和非線性分析，以此研究材料非線性對結構模態、位移和應力的影響。

2 結構模型

論文選取硬度高、防銹耐腐蝕的半空心鉚釘作為研究對象，由凸頭、桿體和盲孔三部分組成，結構實物和尺寸如圖1所示。文中采用ANSYS的GUI操作直接進行建模，模型均為Solid 185單元，材料為鋼材，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.30，密度為7850kg/m3，屈服強度為345MPa。

圖1 半空心鉚釘結構實物和尺寸圖

3 靜力分析

3.1 模態分析

表1為ANSYS計算鉚釘結構前4階模態的自振特性，分析可知：1階固有頻率小于2Hz，最大變形量為1.42mm；第2、3和4階固有頻率相差較大，表現為鉚釘前端的較大變形，最大變形量為1.48mm。

表1 結構自振特性參數

3.2 靜力結果分析

由靜力計算可知，鉚釘結構最大總位移為3.02mm，在桿體盲孔頂端截面處。結構最大Y向位移為3.00mm，表明結構變形以Y方向變形為主。第一和第三主應力云圖均沒有出現拉應力，對結構較為有利，最大壓應力分別為105.05MPa和51.64MPa，均分布在桿端位置。

4 非線性分析

4.1 基本概念與原理

在ANSYS有限元分析時，原彈性矩陣是有關應變和位移的函數。分析結構非線性問題主要有3類方法：增量法、迭代法和最小化法，由于迭代法計算結果比較精確，適用高度非線性問題，本文采用此類方法，其原理為：

由于結構的剛度矩陣是幾何變形的函數，設結構幾何變形為λ，結構的平衡方程為一非線性方程組，即式（1），其中，K為結構剛度矩陣，R為結構抗力。

4.2 計算結果分析

鉚釘結構非線性計算結果位移和應力云圖分別如圖2所示。前2步的最大位移分別是1.81mm和1.42mm，前2步的最大應力分別為68.6MPa和51.09MPa，最大位移和應力均出現在桿體盲孔處且前2步變形和應力情況較相似，變形和應力由桿體和凸頭連接位置到桿體盲孔斷面逐漸增大，表明結構變形最危險位置為盲孔處的桿體，造成此現象的主要原因為孔洞的出現，導致結構應力集中。

圖2 非線性不同荷載步位移和應力云圖

5 結論

論文基于ANSYS對鉚釘結構進行材料非線性分析，研究發現：

①結構最大總位移和Y向位移分別為3.02mm和3.00mm，主應力云圖均無拉應力分布。

②結構非線性變形和應力分布均由桿體和凸頭連接位置到桿體盲孔斷面逐漸增大。

③由于盲孔的設置造成應力集中，結構最危險位置在桿體盲孔斷面周圍。