環(huán)槽鉚釘鋼鋁單釘連接件拉脫疲勞試驗分析

關(guān)鍵詞：環(huán)槽鉚釘；拉脫疲勞；裂紋；有限元

中圖分類號：U270.14 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.07.009

文章編號：1006-0316（2025）07-0064-08

Abstract Inorder to explore the pull-offfatigue performance of I-type huck rivets on a certain type of urban rail vehicle，the pull-offfatigue test is carried out on the I-type pull-off huck rivet steel and aluminum single nail specimens with a connection grade of 8.8R and a nominal diameter of 12mm to obtain the pull-off fatigue life curve of the specimen， and the fatigue strength is determined to be 12.75kN through the liftingmethod.Through the experimental analysis，the crack source appears on the lower surface of the aluminum plate，and the position of the crack is related to theload，with larger external load causing thecrack closer to the edgeofthehole.At the same time，the pulloffinite element model of this type of specimen is established Through the analysis of the contact surface state and stress state，the contact area between the aluminum plate and the steel plate changes during the load cycle，and the cracks appear in the contact range.The dominant stressthat causes the pul-off failure of the specimen is the tensile stress along the length ofthe aluminum plate，and the crack position can be preliminarily determined by the maximum position of the stress amplitude.The finite element model provides reference for analyzing the specimens of I-type pull-offhuck rivets.

Key words ∵ huck rivets;pull-off fatigue;crack;finite elements

環(huán)槽鉚釘又稱HUCK鉚釘、哈克鉚釘、拉鉚釘，20世紀50年代，LOUHUCK在虎克定律基礎(chǔ)上設(shè)計了第一代抽芯鉚釘緊固件。哈克抽芯鉚釘最早應(yīng)用于飛機制造業(yè)以及鐵路車輛車體結(jié)構(gòu)的連接上，由于其具有安裝方便、快捷、防松性能優(yōu)良、疲勞壽命優(yōu)異、免于維護等特點，后逐漸應(yīng)用到橋梁、重型汽車、機械設(shè)備、船舶、軌道車輛等領(lǐng)域[1-2]。環(huán)槽鉚釘連接方式與傳統(tǒng)鉚釘不同，環(huán)槽鉚釘?shù)尼敆U上有螺紋，通過鉚槍將套環(huán)擠壓，與螺紋形成緊密配合，具有較高的緊固能力。

環(huán)槽鉚釘相對螺栓連接更有優(yōu)勢，張欽等[3-4]對風(fēng)電機組用新型連接技術(shù)環(huán)槽鉚釘連接技術(shù)進行了介紹，并就環(huán)槽鉚釘?shù)难佬徒Y(jié)構(gòu)、受力模擬分析、沖擊功特性、軸向載荷下疲勞試驗等與高強螺栓進行了單釘實驗對比，實驗結(jié)果表明在單釘情況下環(huán)槽鉚釘?shù)钠谛阅苊黠@優(yōu)于高強螺栓，并且還基于Deform數(shù)值模擬，對環(huán)槽鉚釘進行了設(shè)計及性能驗證，并研究分析了鉚接接頭夾緊力、拉脫力、剪切力及其疲勞性能，均比螺栓連接效果要好。

對于性能優(yōu)良的環(huán)槽鉚釘結(jié)構(gòu)，其連接件的強度也是研究的一項重點，鄧華等[5對鋁合金板件環(huán)槽鉚釘搭接連接試件進行了受剪試驗，分析了其破壞模式及鉚釘孔徑、端距、邊距等參數(shù)的影響。張向峰等[6-7]對不銹鋼環(huán)槽鉚釘鉚接件進行了拉伸試驗和疲勞試驗，根據(jù)性能曲線總結(jié)了鉚接件的失效過程。王中興等[8]對環(huán)槽鉚釘連接的鋁合金T型件進行了拉伸試驗，研究了其極限承載力與變形能力，并給出了環(huán)槽鉚釘在不同荷載組合作用下的破壞模式。WANG等研究了環(huán)槽鉚釘鉚接鋁合金接頭間的微動磨損與疲勞失效行為，發(fā)現(xiàn)微動是導(dǎo)致鋁合金裂紋萌生的主要原因。

目前針對環(huán)槽鉚釘?shù)难芯考性诩羟泄r，但是實際服役過程中還承受軸向載荷，破環(huán)形式為拉脫[10]，為此本文研究|型環(huán)槽鉚釘?shù)睦撈谛阅埽瑸榄h(huán)槽鉚釘拉脫工況研究提供一定的思路。

1試件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

環(huán)槽鉚釘基本鉚接過程如圖1所示，將鉚釘穿過連接板，另一側(cè)用套環(huán)套入，鉚釘槍與套環(huán)上部分貼合，然后設(shè)備向下施加壓力擠壓套環(huán)發(fā)生塑性變形，從而與鉚釘?shù)沫h(huán)槽緊密咬合，當施加至規(guī)定夾緊力時，鉚槍從釘尾凹槽處將釘子拉斷，緊固過程完成。

圖1環(huán)槽鉚釘夾緊原理

本次研究的試件為一型拉斷型環(huán)槽鉚釘連接件（連接等級 8.8R ，公稱直徑 12mm， ，根據(jù)《環(huán)槽鉚釘連接副技術(shù)條件》（GB/T36993－2018）[11]，公稱直徑為 12mm 的一型鉚接件最小夾緊力為 。研究對象試件由LMY-T12-18G環(huán)槽鉚釘（包括釘桿和套環(huán)）和被夾板件組成，其中連接板件為鋁板和鋼板（圖2），連接厚度為 10mm 鉚釘相關(guān)參數(shù)如表1所示，鉚釘相關(guān)參數(shù)如表2所示。鉚接時將兩連接板垂直 90^° 后進行鉚接夾緊，套環(huán)位于鋼板一側(cè)。

表1鉚釘參數(shù)

圖2I型環(huán)槽鉚釘拉脫試件示意圖（單位： mm. ）

2「型環(huán)槽鉚釘拉脫疲勞試驗

24176一2009）[12]；第二部分為升降法部分，至少進行6組試驗，用于確定試件的疲勞強度。

圖3拉脫疲勞試驗原理及安裝示意圖

通過數(shù)據(jù)進行處理得出 S_-N 曲線傾斜部分疲勞壽命擬合公式為：N=4.239×10°×F2.8574，并通過升降法試驗得出「型環(huán)槽鉚釘拉脫試件的疲勞疲勞強度為 12.75kN， 。疲勞壽命曲線如圖4所示。

2.1試驗設(shè)備及方案

使用電液伺服疲勞試驗機（日本島津）開展試驗，型號為 EHF-070 靜態(tài)載荷測量精度?0.5% ，位移測量誤差 ?0.2%

如圖3所示，拉脫疲勞試驗的加載端位于鋁板兩側(cè)位置，固定鋼板，并在加載端施加軸向正弦循環(huán)載荷。載荷比 R 1 （R=F_min/F_max） 設(shè)置為0.1，試驗頻率為 18Hz ，試驗至試件失效（鉚釘拉斷或板件出現(xiàn)裂紋）或超過規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) （5×10⁶） 為止。

表3I型環(huán)槽鉚釘拉脫疲勞試驗數(shù)據(jù)

2.2試驗結(jié)果

疲勞壽命數(shù)據(jù)如表3所示，將S-N壽命曲線分為兩部分，一部分為傾斜部分，采用冪函數(shù)形式進行處理。具體計算方法參考《金屬材料疲勞試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方案與分析方法》（GB/T

2.3失效分析

試件失效的形式均為鋁板出現(xiàn)裂紋，試驗結(jié)束后將鉚釘與連接板分開。觀察鋁板與鋼板的接觸側(cè)。由圖5可以看出所有鋁板孔周邊均出現(xiàn)了一圈光潔的壓痕，這是由于鉚接時候的夾緊力造成的，失效裂紋都是在孔周壓痕的附近出現(xiàn)，并且孔周裂紋呈環(huán)形分布。裂紋周邊出現(xiàn)了黑色的微動磨損區(qū)域，說明在循環(huán)載荷作用下接觸面上存在微小的滑移導(dǎo)致材料磨損，甚至部分試件鋁板還出現(xiàn)的明顯的磨損坑。

同時可以發(fā)現(xiàn)，載荷越大，裂紋的位置越靠近孔邊緣。取 F_max=30kN 試件試驗后拉斷的鋁板用體式顯微鏡對鋁板斷口進行觀察（圖6），可以看出裂紋源出現(xiàn)在鋁板下接觸面，且分布在孔邊緣一定的位置。

圖4疲勞壽命曲線

圖5試件鋁板試驗后圖片

圖6鋁板斷口觀察（ F=30kN ）

3有限元仿真

3.1有限元模型

采用Abaqus仿真軟件進行仿真計算，有限元模型采用八節(jié)點六面體（C3D8）單元，六面體網(wǎng)格，為提高計算效率，采用1/4模型進行有限元仿真。試驗的失效位置出現(xiàn)在鋁板接觸面，且需重點關(guān)注鋁板下接觸面的狀態(tài)及應(yīng)力分布，所以鋁板與鋼板接觸的網(wǎng)格的大小會影響計算結(jié)果，故將鋁板孔周的網(wǎng)格進行細化，最小網(wǎng)格尺寸為 0.025mm 同時，為了減少網(wǎng)格數(shù)量增加帶來的計算困難，只將距離孔邊緣6mm 處的網(wǎng)格進行細化，其他部分過渡成較大的網(wǎng)格，劃分的離散模型如圖7所示，共劃分單元45822個，結(jié)點53234個。

兩個連接板材料屬性的參數(shù)如表4所示。

表4材料參數(shù)

圖7離散模型的邊界條件及載荷施加

由于實際鉚釘桿與連接板之間存在孔隙，為此該模型共建立三個接觸對，所以接觸設(shè)置在兩個連接板之間和鉚釘兩頭與兩板之間。接觸切向行為采用罰函數(shù)，其中鋁板與鋼板之間的摩擦系數(shù)設(shè)為 0.5^[13] ，板一釘摩擦系數(shù)設(shè)為0.15^[14] ，法向采取硬接觸。

試驗過程中鋼板固定，鋁板只能垂向移動，分別添加固定約束和位移約束（鋁板只放松 X 方向），由于模型是1/4模型，于是另外添加關(guān)于 X-Y 和 X-Z 平面的對稱約束。外載的施加應(yīng)與試驗一致，都在鋁板的兩側(cè)。夾緊力使用ABAQUS中的螺栓載荷模塊進行模擬，第一個分析步施加 10N 的較小夾緊力；第二個分析步施加全部夾緊力，防止載荷突變造成不收斂，后續(xù)分析步將螺栓固定在當前長度。外載 F 施加隨時間變化的周期函數(shù)，為得到穩(wěn)定的仿真結(jié)果，共施加兩個周期的載荷。

3.2仿真結(jié)果

3.2.1接觸狀態(tài)

圖8是只施加夾緊力后的鋁板接觸應(yīng)力狀態(tài)，由于夾緊力帶來較大的壓應(yīng)力，在孔的周圍容易造成應(yīng)力集中，使得鋁板孔邊緣造成了塑性變形，并在周圍形成了一個范圍的壓痕。該壓痕在整個加載周期內(nèi)處于粘著狀態(tài)，所以試驗結(jié)束后該范圍內(nèi)的接觸面依然光潔。提取孔周一定距離接觸壓應(yīng)力情況，由圖9可以看出，在孔邊緣接觸應(yīng)力梯度較大，隨著距離的增加接觸應(yīng)力減少，直到接觸邊界減為 0MPa 此時距孔邊緣距離大概為 12mm

圖8施加夾緊力后接觸情況

圖9施加夾緊力后接觸應(yīng)力變化

接觸范圍的大小隨著載荷的增大而減小，如圖10所示，由仿真結(jié)果可知，在一個循環(huán)加載周期內(nèi)，鋁板與鋼板的接觸范圍在不斷變化，并且試驗后鋁板的裂紋均在這個范圍內(nèi)出現(xiàn)，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

根據(jù)試驗裂紋出現(xiàn)的位置，取圖11中路徑上的節(jié)點，提取各工況最大載荷情況的接觸應(yīng)力隨路徑的變化曲線。從圖11的曲線中可以看出，接觸應(yīng)力隨著距離的增加而減小，且外載荷越大，減小的速度越快，接觸應(yīng)力減小到0的點即為載荷最大時接觸范圍的邊界。由此看出，載荷越大，兩板的接觸范圍越小，這會使得裂紋位置越靠近孔的邊緣，與試驗結(jié)果相符。

圖10不同載荷下接觸應(yīng)力狀態(tài)

表5接觸范圍與裂紋位置

圖11接觸應(yīng)力隨路徑的變化曲線

時，則其變化規(guī)律與接觸壓應(yīng)力變化規(guī)律完全相同，直達接觸狀態(tài)為張開區(qū)時摩擦剪應(yīng)力降為0。不同工況下，摩擦剪應(yīng)力的變化趨勢一致，并且外載越大，接觸邊界越靠近孔的邊緣。

圖12三種工況摩擦剪應(yīng)力隨路徑的變化

3.2.2摩擦剪應(yīng)力

下面分析摩擦剪應(yīng)力的變化規(guī)律，同樣取圖11路徑上結(jié)點的摩擦剪應(yīng)力。結(jié)合圖12看出，當摩擦剪應(yīng)力小于臨界摩擦剪應(yīng)力時，其沿著路徑增加逐漸增大，該狀態(tài)對應(yīng)的區(qū)域為粘著區(qū)；當摩擦剪應(yīng)力與臨界摩擦剪應(yīng)力相等

研究人員[15-16]曾提出微動圖理論揭示了微動運動機制和損傷機制的內(nèi)在規(guī)律，為微動損傷的研究提供了依據(jù)，其中表明最危險的區(qū)域是混合區(qū)，即滑移區(qū)和粘著區(qū)的混合狀態(tài)。由上述的接觸狀態(tài)分析可知，在循環(huán)載荷下，接觸狀態(tài)不斷的發(fā)生變化。在最大與最小載荷下存在最大接觸范圍和最小接觸范圍，所以圖13的滑移區(qū)和粘著區(qū)在該范圍內(nèi)發(fā)生周期性改變，屬于混合區(qū)，為此鋁板在該區(qū)域內(nèi)極易發(fā)生微動疲勞。

3.2.3應(yīng)力狀態(tài)分析

取工況二！ （F_max=20kN） ）各向應(yīng)力云圖，如圖14所示。由云圖可以看出， S₁₁ 在孔周主要是壓應(yīng)力，由夾緊力產(chǎn)生，這不利于裂紋的萌生，所以 S₁₁ 不是引起失效的主要應(yīng)力。而S₂₂ 的分布情況與最大應(yīng)力位置和試驗后鋁板的失效位置相近，所以初步判斷 S₂₂ 即沿鋁板長度方向的拉應(yīng)力是引起試件失效的主要應(yīng)力。

最大載荷點和最小載荷點時的 S_22max 與 S_22min 沿著圖11路徑的變化。從圖15看出，隨著距離的增加， S₂₂ 先增大后減小。三個工況都存在一個峰值點，且外載越大該點距離孔邊緣越近。S_22max 與 S_22min 峰值點的位置一致，且均出現(xiàn)在最小接觸邊界的位置附近。

現(xiàn)主要分析 S₂₂ 的影響，分別取載荷周期中

圖13接觸狀態(tài)分布 ）

圖14工況二應(yīng)力云圖 ）

圖15 S_22max"和 S_22min"隨路徑變化曲線

在固定應(yīng)力比下影響疲勞失效的主要因素是載荷的幅值，故分析不同工況下 ΔS₂₂ 在路徑上的變化趨勢。由圖16可以得出 S₂₂ 全幅值（ΔS₂₂） 沿著路徑的變化趨勢，隨著距離的增加也是先增大后減小， ΔS₂₂ 峰值點的位置均位于載荷周期的接觸范圍以內(nèi)，且該位置與試驗后鋁板裂紋的位置接近。

不同工況下試驗裂紋與應(yīng)力參量峰值點位置如表6所示，可以看出， ΔS₂₂ 峰值點的位置與試驗裂紋出現(xiàn)的位置接近。所以可以得出，Y方向的拉應(yīng)力（沿鋁板長度方向）是引起裂紋的主導(dǎo)應(yīng)力，且由于試件受疲勞載荷的影響，失效位置主要由最大載荷幅值點決定。

圖16 （204號 ΔS₂₂ 沿路徑的變化

表6不同工況下試驗裂紋與應(yīng)力參量峰值點位置

4結(jié)論

（1）連接等級 8.8R ，公稱直徑為 12mm 的I型拉斷型環(huán)槽鉚釘單釘拉脫試件的疲勞強度為 12.75kN ，失效形式為鋁板下接觸面出現(xiàn)裂紋，位于鋁板的長度方向。失效位置與載荷相關(guān)，外載越大，裂紋越靠近孔的邊緣，且裂紋附近存在一定程度的磨損。

（2）通過有限元仿真得出，鋁板與鋼板的接觸區(qū)域在載荷周期內(nèi)會變化，但存在一個范圍，鋁板的裂紋均出現(xiàn)在該接觸范圍內(nèi)。并且根據(jù)微動圖理論，該范圍內(nèi)屬于粘著和滑移的混合區(qū)，極易產(chǎn)生微動疲勞。

（3）引起|型環(huán)槽鉚釘試件拉脫失效的主導(dǎo)應(yīng)力是沿鋁板長度方向的拉應(yīng)力，裂紋位置可由該應(yīng)力幅值的最大位置初步確定。本文建立的有限元模型對分析一型環(huán)槽鉚釘拉脫試件具有一定的參考。

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