基于ABAQUS的热辅助铆接分析

势，较小的压挪力能够减小钉杆开裂的风险；合适的钏接速率也能改善热辅助钏接的钏接品质，提高疲劳寿命。这种热辅 助钏接技术对于今后钏钉钏接的技术工艺具有一定的参考价值。关键词：热辅助；钏接；压钏力；柳接速率中图分类号：TG306Heat-assisted Riveting Analysis Based on ABAQUSZOU Meng, WANG Lixia, WANG Jie, SHENG Wei, GUO Zhenghua(School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, NanchangJiangxi 330063, China)Abstract: In view of the problems of large diameter and difficult-to-shape alloy rivets, such as deformation, cracking and insuf­

ficient interference, etc., rivets were firstly preheated and then riveted. Finite element analysis software was used to establish the

finite element model of 7075 aluminum alloy, in order to simulate the deformation and stress of rivets at different temperatures and dif­ferent riveting rates. The results show that with the increase of heat-assisted riveting temperature, the reduction of riveting force tends to increase firstly and then decrease, and the smaller riveting force can reduce the risk of nail cracking. The suitable riveting rate can also improve the riveting quality of heat-assisted riveting, and improve fatigue life. This heat-assisted riveting technology for the future

riveting technology of rivet has a certain reference value.Keywords: Heat-assisted； Riveting； Riveting force； Riveting rate0前言小、钉杆开裂等问题。电磁钏接就是以绝热剪切的方 式来实现钏钉的变形，它具有加载速率高、成形速度

现代飞行器的研究制造，对结构强度、整机质

量、承载能力、使用寿命等方面都有较高的要 求['-3]o使用大直径的合金材质钏钉能够保证紧固件 之间的强度和刚度，对于钏钉的钏接也提出了新的

快的优点，这也是目前针对大直径钏钉和合金钏钉最

常用的钏接方式。但是电磁御接在钏钉的头部容易形 成剪切区，在剪切区内可能产生裂纹或者剪切破 坏⑻。由于大部分的材料都有热致软化效应，热钏是

要求心。钏钉钏接是一种不可拆卸的连接技术。目前常用

将钏钉加热到特定的温度，然后再进行钢接。但是加

的钏接工艺方法有压钏、热钏、电磁钏接等。压钏就

热温度太高，钏钉容易出现烧蚀等缺陷⑼。是在钏接过程中，通过顶铁的运动，使钏钉发生塑性

近年来，MANES A等E\"通过分析钏接工艺参数 对钏接质量的影响发现，压御力对钏接质量有较大的

变形的连接技术⑹。压钏能使钏钉均匀地填满孔隙, 钏接质量好、效率高。但是对于合金钏钉，由于在常

影响；王宇波等⑴)通过对比自动钻钏结构件和手工

温下应变率敏感、屈服比高，容易产生加工硬化⑺。

钻御结构件的疲劳寿命发现，徹头高度以及钏接速

常规压钏下的合金钏钉会出现变形不充分、干涉量

率、压钏力都能影响紧固件的疲劳寿命；邓将华

收稿日期：2018-01-11基金项目：无损检测教育部重点实验室开放基金资助项目(ZD201229010)；江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ160701)；

江西省教育厅科技项目(GJJ170617)作者简介：邹濛( 1993—),男，硕士研究生，主要从事数字化设计与制造研究。E-mail: xkzoumeng@163.com。第8期邹濛等：基于ABAQUS的热辅助挪接分析

• 63 •等®］通过分析不同孔隙的顿接对疲劳寿命的影响发

现，当应力水平较低时，它对疲劳寿命的影响较大， 应力水平较高时，影响较小；陈福玉等g通过分析 钏钉的变形情况和连接质量，指出了电磁钏接和气动

压钏的不足之处。而对于大直径合金材质钏钉挪接的 相关研究并不是很多。为了解决合金材质钏钉挪接难

成形的问题，本文作者提出热辅助的柳接方法，将钏 钉“预热”，再进行钏接。利用ABAQUS仿真软件，

以7075铝合金钏钉的钏接为例，研究温度对压钏力 的影响，以及钢接速率对钏接质量的影响。1钏钉钏接有限元模型的建立1. 1 几何模型的建立查阅相关资料，根据航天工业标准QJ 3142-

2001,选择钏钉的类型为100。沉头钏钉，公称直径 d = 3.5mm。相关研究表明，常规钏接钏钉的外伸量

为1.3d。而两板采用双埋头的连接形式，针对双埋 头连接形式没有外伸量供参考。根据体积不变原理,

钏钉的外伸量设为0. 5d,考虑到钏接时板也有变形， 外伸量设为(0.65~0.85)盯)。钏钉的长度范围为5. 6-6. 3 mm,取长度L- 6.0 mm0两层板的厚度均

为2. 0 mmo钉孔间隙取0. 25 mmo连接板的尺寸和 钏钉钏接的几何模型见图1、图2。顶铁A'连接板工作台图2钏钉钏接的几何模型1.2材料的选择现代飞机上的钏钉以铝合金、不锈钢和钛合金钏 钉为主，文中选用7075铝合金钢钉为研究对象。连 接板的材料选用7075铝合金。顶铁和工作台选用45

钢。上述材料在常温下的性能参数见表1。表1材料的性能参数材料弹性模量/GPa泊松比密度/( kg・m\"3)45钢2050.37 8007075铝合金69.750332 800

1. 3 网格的划分钏钉钏接的有限元分析，主要分析的是钏钉的变

形情况和压钏力的大小，得出钢钉钏接的应力云图。

在划分网格时，对钏钉的网格划分需要更加细密均

匀，以便得到准确的分析结果。因此，采用Sweep (扫掠)的方式对钏钉进行网格划分。在设置钏钉、 连接板的单元类型时，均设置为八节点六面体线性缩

减积分单元(C3D8R)2冏。顶铁与工作台在钏接过 程中变形量微小，固将其设置为刚体。1.4 有限元分析为了得到钏钉钏接的受力情况，还需要设置接触 属性。顶铁下表面与钏钉上表面的接触，钉杆与孔壁

间的接触，两连接板之间的接触，将切向属性(Tan­

gential Behavior) 设置为罚函数(Penalty)；将法向接 触(Normal Behavior)设置为硬接触(\"Hard\" Con­

tact )o采用显示动力学分析步(Dynamic Explicit),

将顶铁的位移载荷设置为2.0 mm,进行钏钉钢接的 有限元仿真分析。观察压缩量分别为0.8、1.4、2.0

mm时钏钉的应力变化情况和受力情况。在进行此次 分析之前，利用该钏钉钏接有限元模型分析常温下钏 钉所受到的压御力和铝合金钏钉常温下柳接试验所得

的压钏力进行对比，平均差值在6%以内，说明该钏 钉钏接有限元模型的建立是准确的，仿真结果是真实 有效的，对于实际的钏钉钏接有一定的参考价值。2温度对热辅助压钏的影响2. 1热辅助压钾与常规压钾的对比分析利用ABAQUS软件对常温下的钏钉和热辅助温

度为200 T的钏钉分别进行钏钉钏接试验仿真，顶铁

的位移载荷设置为2.0 mm,得到压缩量分别为0.8、

1.4、2.0 mm时钏接后钏钉的变形情况。仿真分析得

到的应力云图见图3,两种钏钉钏接时所受到的压钏 力见表2。分析图3发现：相同压缩量下热辅助的钏钉在钏

接后与常规钏钉相比，应力云图的变化更加均匀；不 同压缩量下热辅助的钏钉在钏接后与常规钏钉相比，

随着压缩量的增加，应力分布逐渐向钏钉头部的小变

形区域扩展。仿真结果表明：热辅助钏接能提高御接 质量，使钉杆部分膨胀更加均匀。分析表2发现：热 辅助御接能明显降低压钏力；随着压缩量的增大，压 钏力的减少比例呈先增大后减小的趋势。钏接质量的 好坏与压钏力的大小密切相关，小的压钏力能减小钏 接时钉杆或者徹头开裂的风险，改善钏接质量。• 64 •机床与液压S. Mises（Avg： 75%） f?\" ■? ■ +6.0818+02U* +5-5779+02H +5.0720+02■ +4.5678+02 +4.0629+02■ +3 5586+02 ^3.0530+02 +2.548S+02.+2.0449+02 卜 +1.539S+02 卜 +1.0346+02 卜 +5.293e+QlL +2.4559+00第47卷r +5.902e+02 卜 +5.41GP4-02 卜 +4.9198+021 +4.42 76+02 + 3.936e+02 +3.444=+02 +2.953e*02 +2.4616+02 + 1.9706+02 + 1.4786+02 +9.866S+01 i—T +4.95164-01 *—i- +3.5866-01(a)常温压钏(压缩量0.8 mm)(b)热辅助压钾(压缩量0.8 mm)(c)常温压钏(压缩量1.4 mm)

S, M«$es （AVQ： 75%）+6.010e+Q2 +5.513S+G2 +5.0166 +82 +4.519S+G2煤誘*寥JC勲、I(d)热辅助压钏(压缩量1.4mm)(e)常温压钏(压缩量2.0 mm)表20.81.4图3常温御钉和200七御钉钏接后的应力云图常温钏钉和200尤钏钉钏接后的压钏力致，压钏力的大小也近似相同；随着热辅助温度的升

高，钏钉在钏接时的钉孔间隙逐渐被填满，钏接质量 也随之提升；热辅助温度为350或400 T时，钏钉位 于御接后的徹头部分已经有部分溢出埋头孔，被压到

6 425.39 384.5+3.525e+O2+3.027e+02 (f)热辅助压钏(压缩量2.0 mm)+2.5306+02+2.033S+02+1.53&e+02+1.039e+C2压缩量/ mm常温压御力/N 200 °C压钏力/N减少比例/%4 876.36 168.217 259.524.1034.2017.302.020 860.6连接板的上表面内，破坏了连接板的表面；热辅助钏

2. 2 不同温度热辅助压钾的分析接所受压钾力的大小随着热辅助温度的升高呈现出先 降低后升高的趋势，热辅助温度为200 t所受的压挪 力最小。仿真结果表明：热辅助钏接的温度较低时, 钏接质量与常规压钏的钏接质量基本相同；热辅助温

由于7075铝合金的熔点为477 -638 T.,利用

ABAQUS软件对热辅助温度分别为100、150、200、 250、300、350、400 T的锁钉进行钏接试验仿真,

顶铁的位移载荷设置为2.0 mm,得到钏钉钏接时所 受的压钏力情况及应力云图。仿真分析得到的应力云 图见图4,不同温度下所受到的压钏力大小见表3。度在200七左右时，钏接质量明显提高并且所受的压

钏力也较低；热辅助温度较高时，钏钉的徹头会出现

边缘部分溢出埋头孔被压入连接板上表面的情况。总

结合图4和表3分析发现：热辅助温度为100 °C 时，钏接的应力云图和常温钏接的应力云图基本一

S, Mises（Avg： 75%） r—p +6.1056+02LJ- +S.601e402H- +5.097e+02■ +4.593e+02■ - 4■ +35S5e+02■* +3.0828+Q2■ +2.5786+02■ +2.0?4e+02Hf- +1.57O0+C2W- +rG66e+02H- +5.6256+0X '~~L +5.867e+GD之，对于7075铝合金钏钉的热辅助领接，热辅助温 度控制在200七左右，钏接效果最好。S, Mi5es （A*Q： 75%） kP +6.0436+02 W~ +5.544e+Q2 +5.0458+02■ +3.M8e*02■* +3.049S1-02■ +2.550e+02■ +2.05164-（32M- +1.9526+02W- 4-1.Q53S+02 k4 <-5.S38e+01 W- +5.4758+00■I(a)常温压切(b) lOOt热辅助顿技S, Mises （A¥Q： 75%）+5.974e+02 +5.48Qe+02 + 4.9876+02 +4,4938+02 +4.000®+02 +3.5068+02 +3.0138+02 +2.519e+02 +2.G268+G2 + 1.5326+02 + 1.D39S+D2 .,+S.453e+0i+517/6+00(c) 150 r热鑰助钏接wawi-• I(d) 200 °C热辅助挪接(e) 250 *C热辅助钏接(f) 300 *C热辅助钏接(g) 350 °C热辅助钏接(h) 400 °C热辅助钏接图4不同温度热辅助钏接的应力云图第8期邹濛等：基于ABAQUS的热辅助钏接分析• 65 •表3不同温度钏钉钏接时所受的压钏力3钏接速率对热辅助压钏的影响由于合金材料的钏钉对应变率比较灵敏，在不同

钏接环境常温100 °C150 °C200 r压钏力/N20 860.620 858.3加载速率下，材料发生塑性变形时原子的运动方式和

数量都发生了改变，材料变形机制也发生了变 化I7-'8IO因此不同加载速率对热辅助钏接的钏接质 量有一定的影响。利用ABAQUS软件对热辅助温度 为200 T的7075铝合金钏钉，分别以10、100、500、

19 115.517 259.518 087.220 159250 °C300 r1 000、2 000、5 000 mm/s的钏接速率进行钏接试验 仿真，得到钏钉钏接时所受的压钏力情况及应力云 图。仿真分析得到的应力云图见图5,不同钏接速率

350 r20 308.320 735.7S, Mises{Avg: 75%)严丁 +S.956e+02 LJ- +5.4638+02U- +4 970e+02■ +4 4780+02■ +3 935e*02■■ +3 493e+ 02■ +3.000e*02■ +2.507e+Q2■ *2 015e*02■ +1.522e+02W- +1 0296+02 卜+ +5 368e+01 ~~L +4,420e+00^sfsT^400 X.下所受的压钏力见表4。S, Mises (Avq: 75%)LJ- +5 ioie+02 +4.640e+02 +4 180e+02 +3 720e+02 +3-260e+02 +2 800e+02 +2 340e+02 + 1.880e+02 + 1 420e+02 +Q.596&+01 +4.9956+01 4-3.95%2e10«(a) 10 mm/s热辅助压钏5%.471Bss€+75. wi+5.q +5.18e +4..56+4..11K +3..66le +3..209e 2.6e+.75 4el.30+2.S 2e+i.85 9e+.39 8e+9..464.4e +4.:?5 5e + +02 :0202 +02 +02 +C2 +02 02+ +02 +02 +0101 +00 (b)100mm/s热辅助压钏S, Mises (Avg： 75%) +5,218e+02 + 4.786&+02 +4.3546+02 +3.922S+02 + 3,4908+02 +3.058©+02 +2.626e+02 + 2.1940+02 +1.7628+02 +1.3306+02 +6.980e+01 +4.6598+01 +3,392e+005()() m m/s热辅助压钾S, Mises (Avg: 75%)+5.927e+O2 +5.434e+02 +4,941e+02 +4.4486+02 +-3.955e+02 +3.462e+02 +2.969e+02 +2.4766+02 +1.9820+02 + 1.489e*02 +9.9626+01 +5.031e+Ql +9.953e-01器B/.jH-VV.'.-、・・・(d) 1 000 mm/s热辅助压钏(e) 2 000 mm/s热辅助压钏(f) 5 00() m m/s热辅助压钏图5表4不同钏接速率下的压钏力不同钏接速率下的应力云图采用热辅助钏接能有效改善钏接质量，提高钏接的疲

钏接速率/( mm •s'1)10压钏力/N16 71119 058.720 765.9劳寿命。对于7075铝合金钏钉的热辅助钏接问题,

采用ABAQUS有限元软件分析得出：(1) 随着热辅助温度的升高，压钏力的减小幅

100500度呈现先增大后减小的趋势。温度为200 V左右时， 钏接的压钏力最小，钏接效果最好。(2) 随着钏接速率的增加，钏钉变形逐渐变充

1 0002 00024 670.242 226.971 922.15 000分。钏接速率为1 000 mm/s左右时，钏接效果最好。

结合图5和表4分析发现：压钏速率为10 mm/s,钏钉的徹头对连接板的作用力较小，钉杆部

当钏接速率高于2 000 mm/s时，钏钉周围的连接板

出现明显变形，严重影响钏接质量。分没有完全填满孔隙，形成的干涉量较低；随着压钏 速率的增加，钏钉的膨胀更加均匀，更加充分，钏接 质量也得到了提高；压钏速率达到2 000 mm/s甚至

利用ABAQUS有限元软件仿真计算的数据，对 于实际平板的钏接以及楔形板的钏接都有较大的参考 价值，为后续钏接技术的发展提供了一种新思路。 参考文献：[1 ] GUO Q M , LIU B, HOU H L,et al. Hydrogenation Behavior

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5 000 mm/s时，钏钉徹头部分对连接板的作用力较

大，徹头周围的连接板出现了明显的下陷。仿真结果 表明：压钏速率较低时，钏钉的膨胀不充分，干涉量 不足；压钏速率过高，会对连接板产生较大的压力， 使其局部变形较大，严重影响了钏接质量；对于

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