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发表于 2020-6-9 09:17:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
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铝合金拉铆连接应力分析

张荣;代广成;陈佳梅;罗唯;何旭

(眉山中车紧固件科技有限公司,眉山620010)

【中国汽车材料网】摘要:根据拉铆钉的特性,进行铝合金铆接过程铆接应力分析。通过有限元和实验进行铝合金铆接间距应力分析,得出铆钉分布的合理间距。
关键词:铝合金;拉铆;应力;间距

0 引言
铝合金具有比强度高、耐蚀性好以及再生性能极佳等优点,应用于铁路车辆可有效减轻车辆的自重,提高车辆的载重。由于铝合金所具有的特点,使得车辆运行和回收更加节能环保,车辆的整个生命周期成本更低。车辆的结构连接一般有焊接和铆接,铝合金的焊接技术难度大、设备投资高,且不利于以后车辆的维护,所以一般采用铆接进行结构连接。由于铝合金熔点低,只能采用冷铆的方式,所以拉铆钉是铝合金结构连接中首选方案。
根据拉铆钉的特点,结合铝合金结构连接的要求。我们对铝合金车辆结构连接中的应力进行了研究分析。

1 铆接过程中铝板承受的应力状态。
通过有限元软件对拉铆钉铆接过程进行分析,计算出铝板在铆接过程中承受的应力分布。采用刚塑性理论作为FEM的理论推导基础,其基本公式为:
①平衡微分方程(运动方程)
式中
②速度——应变速率关系方程(几何方程,协调方程) 7561fb987f4dabdc87f505bd102cba41.jpg
③Levy-Misses应力应变率关系方程
b809de6a413b9055ac4d34bb57634bf3.jpg
式中 ——等效应变速率, be69bcd9d6291d9ee543c833ba807bcd.jpg ——等效应力, c160888c635379b414b4c20f2e612207.jpg
④Misses屈服准则: b6f7f39c4ba4c092a0d448cc264f423c.jpg
式中, 6001078d56b97cefb75e6ae878629667.jpg 对于理想刚塑性材料,k为常数。
⑤体积不可压缩条件 e5514768dddb668eb66499450295d925.jpg
⑥边界条件。边界条件分力面边界条件和速度边界条件。
在里面SF上 43bf9b4d987afdd7f0f8d1dc78023625.jpg 在速度面上 b9fef9779b60e09fa83f01756e9b4c98.jpg
⑦流动应力是应变、应变速率的函数,对于变形体而言,其泛函求驻值的条件为:
0b4013f4f7b6dd02c6f69ee572f89439.jpg
式中V——变形体的体积;
S——变形体的表面积;
K——罚函数常数为大的正常数。
将此函数利用FEM转化为非线性代数式,采用Newton-Raphson迭代或直接迭代的方法求解。
铆接时铆接器枪头轴向相对运动并挤压套环变形,套环被挤压到铆钉环型槽中,由于在铆接过程中套环受到较大的变形和应力,因此对其采取局部细化网格提高模拟精度。体积成型通常采用剪切摩擦模型,冷挤压摩擦系数取0.08。铆接器移动速度设置为2mm/s,最小网格为0.03-0.05mm,步长设置为0.01mm。模拟计算用的铝板采用与铝合金车用板材相同材料5083-H321。铝板的抗拉强度为不小于305MPa,屈服强度为不小于215MPa。
曲线主要分为两部分,第一部分为套环初始变形阶段,套环的初始变形力约为26kN;第二部分为套环变形过程,套环完全变形最大变形力为95kN。在套环变形过程中铆钉承受的最大应力为319MPa,从应变图可以看出铆钉未发生塑性变形。铝板承受的最大应力为70.7MPa,远小于铝板的屈服强度,未发生塑性变形,所以拉铆钉铆接后铝板处于安全状态。

2 不同孔距安装后铝板承受的应力状态
不同的孔间距对结构连接质量有着重要的影响,我们通过试验的方法测试在不同孔距的情况铝板所承受的应力,根据应力情况分析得出最佳的孔距。
2.1 试验方案
紧固件安装孔距一般为2-6倍孔径(d),由于拉铆钉套环有法兰盘,我们分别对3-6倍孔径铝板铆接后的应力状态进行测试,测试点为两个安装孔之间距安装孔中心距离为1.5d的位置。实验将对不同孔距的铝板进行应力值进行采集,分析铝板的应力情况,并获得合理的铆接孔分布方案。
2.2 试验设备
数据采集仪UCAM-60B。
2.3 试验方法
①根据布点图要求,粘贴应变片并与数据采集仪连接;②粘贴完成后对所有应变片进行清零,作为初始值;③利用拉铆钉对所有孔进行铆接;④铆接完成后等待60秒,进行应变片数据采集。
2.4 实验结果
实验中4块铝板共粘贴了26个应变片,每个应变片在均在铆接后5分钟内完成两次数据采集见图1,数值见表1,图2,7板1.5d位置处应力与孔间距的关系曲线。
表1 铝合金板铆接应力试验现场表验数据

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图1 应力与孔间距关系曲线


3 结论
由表1数据及图1能够看出,当检测位置距铆接孔中心距离相同时,四块铝板中当孔间距为3d时铝板所承受的应力最大,其均值为30.5MPa;孔间距为4d和5d时铝板承受应力相差不大,均值为别为14.6MPa和12.7MPa,但其应力值较孔间距为3d的铝板有大幅度降低;孔间距为6d时,铝板承受应力再次降低,但其降低幅度不大,其均值为10.5MPa。所以在采用拉铆钉进行铝板铆接时,建议安装孔距应大于或等于4倍孔距。

参考文献:
[1]林醒山,乐延方,柏树新,等.自攻螺钉、拉铆钉连接的受力蒙皮抗剪性能试验研究[J].工业建筑,1993,23(6):14-20.
[2]鲍玉新.拉铆钉联接技术在筛分设备中的分析与应用[J].煤矿机械,2013,34(7):224-225.



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