鮑敏，陳福玉

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

鋁合金鉚接件疲勞損傷的影響因素分析

鮑敏，陳福玉

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

鉚接在航空等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用非常廣泛，而疲勞損傷是影響其使用壽命的主要因素。在鉚接件疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以有限元軟件ANSYS Workbench為平臺，分析了鉚接件模型的應(yīng)力狀態(tài)，研究了鉚釘排列位置、接觸面摩擦系數(shù)、過盈量對構(gòu)件應(yīng)力場分布的影響，預(yù)測了疲勞裂紋可能萌生的位置；其研究結(jié)果為鉚接件的抗疲勞設(shè)計提供參考。

鉚接件；有限元；疲勞損傷；應(yīng)力狀態(tài)

0 引言

鉚接技術(shù)在航空等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用十分廣泛，而疲勞損傷是影響鉚接件安全性與可靠性的重要因素。疲勞會造成構(gòu)件失效，引發(fā)裂紋萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致材料在承受載荷遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度的條件下就發(fā)生破壞[1～3]。

鉚接構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度是否滿足要求，主要通過試驗(yàn)來完成。雖然試驗(yàn)結(jié)果可靠性高，但是過程相對復(fù)雜，不僅消耗大量時間和財力，還會受到各種不可預(yù)測環(huán)境因素的干擾。近年來，有限元軟件飛速發(fā)展，它們在縮短設(shè)計周期、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、節(jié)約成本等方面發(fā)揮了越來越重要的作用。從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和微觀力學(xué)觀點(diǎn)看，接觸應(yīng)力對磨損和疲勞損傷有主要影響[4]。采用有限元法能較好地模擬鉚接件在承載時的結(jié)構(gòu)與載荷特征，并得到較為精確的應(yīng)力應(yīng)變場。本文在疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過有限元軟件ANSYS Workbench建立鉚接件模型，分析構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)和鉚釘排列位置、接觸面摩擦系數(shù)、過盈量對其應(yīng)力場分布的影響，預(yù)測疲勞裂紋可能萌生的位置，研究結(jié)果為鉚接件的抗疲勞設(shè)計提供依據(jù)。

1 鋁合金鉚接件的疲勞試驗(yàn)

鋁合金鉚接疲勞試驗(yàn)件(以下簡稱鉚接件)的物理模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉚接板材料為鋁合金2024，長220mm，寬70mm，厚度2.06mm，鉚釘孔徑4.1mm，彈性模量E=73GPa，泊松比μ=0.33；鉚釘材料為鋁合金2117，彈性模量E=71GPa，鉚釘桿直徑為4mm。鉚接區(qū)采用3排3列形式，鉚釘間距ΔL為20mm，沿板長方向邊距Ld為10mm，沿板寬方向邊距為W為15mm[5]。

圖1 鉚接件結(jié)構(gòu)示意圖

為方便后續(xù)的研究，對鉚釘進(jìn)行編號，第一個數(shù)字為行號，第二個為列號。如左上角第一行第一列鉚釘編號為“11”，下同。

鉚接試驗(yàn)件的疲勞破壞試驗(yàn)在PLG-100C疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。圖2為試驗(yàn)件的典型疲勞破壞形式。其宏觀上表現(xiàn)為：31號鉚釘孔處的鉚接板受拉破壞，鉚釘孔兩側(cè)的裂紋寬度在鉚釘孔中心達(dá)到最大，并朝垂直載荷方向擴(kuò)展。因此，可初步判斷疲勞裂紋源位于鉚釘孔應(yīng)力集中系數(shù)較大處。

圖2 疲勞破壞的鉚接試驗(yàn)件圖

2 鉚接件疲勞損傷影響因素分析

在疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以發(fā)生破壞的鉚接件位置為研究對象，通過計算鉚釘與鉚接板接觸區(qū)周圍的應(yīng)力分布變化，分析疲勞損傷的影響因素。

在ANSYS Workbench中建立鉚接件的有限元模型。經(jīng)試算，取鉚接板、鉚釘?shù)木W(wǎng)格密度為4mm、1mm；同時，對接觸區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，如圖3所示。

圖3 鉚接件的有限元網(wǎng)格圖

由于鉚接板之間采用膠接，因此設(shè)置其接觸類型為Bonded，即綁定接觸；鉚釘與孔之間采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)μ=0.1。約束鉚接件底部端面，選擇頂部端面作為加載面添加均布面力7000N。為模擬鉚接成型后殘余應(yīng)力，施加0.0012過盈量，如圖4所示。

圖5為鉚接件模型的應(yīng)力分布云圖。由圖可見，應(yīng)力最大值位于31號鉚釘孔兩側(cè)的應(yīng)力集中處。

圖4 鉚接件的邊界條件設(shè)置圖

圖5 鉚接件的應(yīng)力分布云圖

2.1 鉚釘排列位置的影響

為考察鉚釘排列位置對構(gòu)件疲勞性能的影響，以鉚接件模型為研究對象，計算各鉚釘承受的最大載荷，其分布結(jié)果如圖6所示。由圖可見，鉚釘承受的最小載荷為113MPa，出現(xiàn)在22號鉚釘處，最大載荷為147.9MPa，出現(xiàn)在31號鉚釘處。每一行的載荷大致呈現(xiàn)中間低兩邊高的“V”字形分布。由此可以初步推斷，多排鉚釘?shù)你T接件結(jié)構(gòu)中中間鉚釘承受載荷較小，外側(cè)鉚釘承受載荷較大，在循環(huán)外載作用下，該處容易出現(xiàn)疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度，就會導(dǎo)致鉚接件在低應(yīng)力下發(fā)生破壞。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)論是一致的。

圖6 鉚接件各鉚釘載荷分布圖

2.2 摩擦系數(shù)的影響

為考察摩擦系數(shù)對構(gòu)件疲勞性能的影響，施加載荷4000N，摩擦系數(shù)分別取0.1，0.3和0.5。由于模型是對稱的，因此取接觸圓周0°～180°范圍為路徑。圖7為鉚釘頭與鉚接板接觸孔內(nèi)邊緣和外邊緣路徑示意圖，圖8為不同摩擦系數(shù)下鉚釘與鉚接板接觸孔內(nèi)邊緣徑向應(yīng)力分布曲線圖,圖9為鉚釘與鉚接板接觸外邊緣周向應(yīng)力分布曲線圖。

圖7 鉚釘頭與鉚接板接觸孔內(nèi)邊緣和外邊緣路徑示意圖

圖8 不同摩擦系數(shù)下徑向應(yīng)力分布曲線圖

由圖8可以看出，徑向應(yīng)力在孔中90°附近達(dá)到最大，與應(yīng)力集中出現(xiàn)的位置一致，所以疲勞裂紋容易在此處萌生。隨著摩擦系數(shù)的增大，應(yīng)力值隨之減小。因此，摩擦系數(shù)增大會降低該處的疲勞損傷作用，使疲勞裂紋在孔內(nèi)邊緣萌生的速率放緩。

圖9 不同摩擦系數(shù)下周向應(yīng)力分布曲線圖

由圖9可以看出，接觸外緣周向應(yīng)力分別在45°和135°附近達(dá)到最大。在0°～90°范圍內(nèi)周向應(yīng)力隨摩擦系數(shù)增大而增大，在90°～180°范圍內(nèi)隨摩擦系數(shù)增大而減小。因此，當(dāng)疲勞載荷一定時，增加摩擦系數(shù)，上鉚接板接觸邊緣45°附近周向應(yīng)力增加，這意味著裂紋形成和擴(kuò)展的動力增加，加劇了疲勞損傷作用。用類似分析方法還可以得出下鉚接板接觸外緣周向應(yīng)力在135°附近隨摩擦系數(shù)增加而增加。

在交變載荷作用下，鉚釘與鉚接板接觸外緣都會出現(xiàn)周期性接觸/分離的區(qū)域，接觸反力也會出現(xiàn)增大/減小的周期性改變，這些都給疲勞裂紋的萌生創(chuàng)造了條件。根據(jù)圖8和圖9的分析可知當(dāng)摩擦系數(shù)增大時，鉚釘與鉚接板接觸內(nèi)緣疲勞裂紋萌生速率放緩，接觸外緣疲勞裂紋萌生動力增加。

2.3 過盈量的影響

鉚接成型時，由于成型部位受到周圍材料的擠壓，殘余應(yīng)力無法釋放，鉚釘和鉚釘孔邊會存在一個過盈量。過盈配合是一種連接強(qiáng)化技術(shù)，它可以在一定程度上提高鉚接件的壽命和強(qiáng)度，并獲得良好地密封性。目前，過盈配合鉚接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中[6]。

取過盈量為0、0.003和0.005，分別計算鉚釘孔周邊應(yīng)力分布情況。接觸孔內(nèi)邊緣在不同過盈量下的等效應(yīng)力分布如圖10所示。由圖可見，當(dāng)過盈量為0時，孔中90°附近存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著過盈量增大，等效應(yīng)力隨之增加，但應(yīng)力波動幅度減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到一定的緩解。但是當(dāng)過盈量達(dá)到0.005時，應(yīng)力分布會在某些部位出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖10 不同過盈量下接觸孔內(nèi)緣的等效應(yīng)力曲線圖

圖11為鉚釘與鉚接板接觸外緣的周向應(yīng)力分布曲線。由圖可見，隨著過盈量的增加，應(yīng)力值隨之變大。應(yīng)力值的提高意味著疲勞裂紋萌生的動力增加。同時當(dāng)過盈量很大時，孔壁附近過大的拉應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕易產(chǎn)生裂紋。因此，為緩解應(yīng)力集中的同時提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度，選取合適的過盈量就顯得尤為關(guān)鍵。一般來說，對于不同的結(jié)構(gòu)情況，其相對過盈量可以在0.6%～3.2%之間變動[6]。

圖11 不同過盈量下接觸外緣周向應(yīng)力分布曲線圖

以上計算結(jié)果表明鉚接件中外側(cè)鉚釘、鉚釘與鉚接板接觸區(qū)內(nèi)邊緣90°方向和外邊緣45°及135°方向?yàn)槠趽p傷薄弱區(qū)。在設(shè)計時，應(yīng)加強(qiáng)這些接觸區(qū)域附近的材料強(qiáng)度，改善鉚接質(zhì)量，在日常維護(hù)中注意定期監(jiān)測，否則易發(fā)生危險。

3 結(jié)語

采用有限元軟件ANSYS Workbench，獲得了鋁合金鉚接件的應(yīng)力狀態(tài)，分析了鉚釘排列位置、接觸面摩擦系數(shù)、過盈量對構(gòu)件疲勞損傷的影響，預(yù)測了疲勞裂紋容易萌生的區(qū)域。結(jié)論如下：

1) 鉚接件中中間鉚釘承受載荷較小，外側(cè)鉚釘承受載荷較大，相應(yīng)位置在循環(huán)外載下發(fā)生疲勞損傷的概率也越大。

2) 鉚釘與鉚接板接觸區(qū)內(nèi)邊緣90°方向和外邊緣45°及135°方向容易發(fā)生疲勞損傷。增大摩擦系數(shù)會使鉚釘與鉚接板接觸內(nèi)緣疲勞裂紋萌生速率放緩，但是會使該處接觸外緣疲勞裂紋萌生動力增加。

3) 選取合適的干涉量，接觸孔中央的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到一定的緩解，可以在一定程度上提高鉚接件的壽命和強(qiáng)度。

4) 有限元分析可以直觀地反映鉚接件接觸區(qū)域的應(yīng)力場分布和各鉚釘?shù)氖茌d情況，為鉚接工藝方案的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。在設(shè)計中，應(yīng)注意加強(qiáng)鉚接件疲勞損傷薄弱區(qū)的材料強(qiáng)度，改善鉚接質(zhì)量。

[1] 吳建國, 王奇志, 張行,等. 鉚釘連接件細(xì)節(jié)應(yīng)力分析及疲勞裂紋形成壽命預(yù)估[J]. 航空學(xué)報, 2007, 28(2): 336-339.

[2] 李舜銘. 機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2006.

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Factor Analysis of Fatigue Damage of Aluminium Alloy Riveted Joint

BAO Min, CHEN Fu-yu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

Riveting is extensively used in aviation structures. But fatigue damage induces a dramatic reduction of service life. Based on the fatigue test and the finite element software ANSYS Workbench, the stress state of the riveted model is calculated, the influence factors of stress distribution of the components, such as array location, friction coefficient, interference fit are analyzed and the probable position of the initation of fatigue crack is predicted in this paper. The results provide the theoretical basis for the design against the fatigue damage of the riveted joint.

riveted joint; finite element; fatigue damage; stress state

鮑敏(1984-)，男，浙江舟山人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇諜C(jī)械設(shè)計、微動磨損等研究。

TH131.1

B

1671-5276(2014)02-0043-03

2013-01-22