伏 凱,劉 宇,趙祥云
(眉山南車緊固件科技有限公司,四川 眉山 620010)
短尾拉鉚釘具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其安裝方便、節(jié)約材料、噪音小、鉚接工具使用壽命長等,因此,在國內(nèi)10.9級(jí)短尾拉鉚緊固連接系統(tǒng)已運(yùn)用于地鐵、城軌、高檔客車上的關(guān)鍵部位,也有用在重載、振動(dòng)等惡劣工況的重型卡車上。本文基于DEFORM 軟件及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究10.9級(jí)短尾拉鉚釘在安裝使用中的鉚接力、拉脫力、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等情況,并與8.8級(jí)短尾拉鉚釘進(jìn)行對(duì)比分析,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。
10.9級(jí)短尾拉鉚緊固連接系統(tǒng)由鉚釘和套環(huán)組成,其中鉚釘由冒頭、卸載槽、光桿、鎖緊槽、螺紋段和尾牙組成,套環(huán)由變形區(qū)、法蘭盤、凸點(diǎn)和卡齒組成,如圖1 和圖2所示。鉚釘冒頭根部設(shè)計(jì)有卸載槽,為了避免鉚接和使用過程中可能存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象。鉚釘鎖緊槽由環(huán)形槽和螺旋槽組成,螺旋槽便于套環(huán)旋入準(zhǔn)備安裝,方便操作;環(huán)槽型可以有效保證連接后的可靠性,在振動(dòng)的工況下,具有更好的防松性能。
圖1 10.9級(jí)短尾鉚釘Fig.1 Grade 10.9 Bobtail
圖2 10.9級(jí)套環(huán)Fig.2 Grade 10.9 collar
圖3為短尾拉鉚釘、套環(huán)、鉚接器槍頭和卡爪的有限元分析模型,鉚接時(shí)鉚接器槍頭軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)并擠壓套環(huán)變形,套環(huán)被擠壓到鉚釘環(huán)型槽中形成連接,拉脫時(shí)拉脫板軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)并對(duì)鉚釘和套環(huán)軸向施力,迫使套環(huán)從鉚釘環(huán)形槽中脫出,由于在鉚接過程和拉脫過程中套環(huán)和鉚釘環(huán)槽受到較大的變形和應(yīng)力,故對(duì)其采取局部細(xì)化網(wǎng)格提高模擬精度。
在DEFORM-2D 中,模擬過程計(jì)算步長的大小可以通過時(shí)間步長或者位移步長來定義。計(jì)算時(shí)任何節(jié)點(diǎn)每一步的最大位移不應(yīng)該超過變形體單元邊長的1/3,否則會(huì)增加網(wǎng)格畸變的速度。而對(duì)于一些特殊的變形過程,如拐角處金屬流動(dòng)、快速成形以及類似的一些特殊變形過程,時(shí)間步長也許需要定義每一加載步長內(nèi)節(jié)點(diǎn)的最大位移不應(yīng)超過單元邊長的1/10[1~3]。因而,具有致密網(wǎng)格的模擬比具有較粗糙網(wǎng)格的模擬過程需要定義更小的時(shí)間步長。體積成型通常采用剪切摩擦模型,冷擠壓摩擦系數(shù)取0.08。在鉚接和拉脫過程中,鉚接器和拉脫板移動(dòng)速度分別設(shè)置10mm/s,最小網(wǎng)格為0.05~0.07mm,設(shè)置為0.02mm。
圖3 高強(qiáng)度拉鉚釘有限元分析模型Fig.3 FEA of the high strength Bobtail
圖4為鉚接過程行程—載荷曲線圖,表1為高強(qiáng)度短尾拉鉚釘鉚接過程分析數(shù)據(jù),可以看出隨著鉚接器載荷的增加,套環(huán)逐漸變形,鉚接過程行程與載荷呈近似線形關(guān)系,10.9級(jí)短尾拉鉚釘變形起始載荷和最大成型載荷均大于8.8級(jí)短尾拉鉚釘。
表1 鉚接過程行程載荷數(shù)值分析數(shù)據(jù)Tab.1 Force of analysis of riveting
圖4 鉚接過程-行程載荷曲線Fig.4 The curve of analysis of riveting
圖5~6 分別為套環(huán)、鉚釘鉚接過程等效應(yīng)力分布圖,圖7~8 分別為套環(huán)、鉚釘鉚接過程等效應(yīng)變分布圖,表2為鉚接過程應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)值分析數(shù)據(jù)。從圖表中可以得出:8.8級(jí)和10.9級(jí)短尾鉚釘?shù)淖畲蟮刃?yīng)力均出現(xiàn)在短尾環(huán)槽處,最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在與套環(huán)接觸的環(huán)槽頂部;套環(huán)最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在鉚接時(shí)槍頭喇叭口處套環(huán)與鉚釘環(huán)槽頂部接觸處,最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在與鉚釘環(huán)槽接觸處。
圖5套環(huán)等效應(yīng)力分布圖Fig.5 Equivalent stress analysis of the collar
表2 鉚接過程數(shù)值分析數(shù)據(jù)Tab.2 Data analysis of riveting
圖6 鉚釘?shù)刃?yīng)力分布圖Fig.6 Equivalent stress analysis of the Bobtail
圖7套環(huán)等效應(yīng)變分布圖Fig.7 Equivalent stress analysis of the collar
圖9 是拉脫過程行程載荷曲線,從圖中可以看出拉脫過程分:①載荷增加行程幾乎不變,短尾鉚釘和套環(huán)處于彈性變形區(qū)域;②載荷增加,行程增加,套環(huán)開始
圖8 鉚釘?shù)刃?yīng)變分布圖Fig.8 Equivalent strain analysis of the Bobtail
圖9 短尾拉鉚釘拉脫過程行程載荷曲線Fig.9 The curve for bobtail during breaking
變形;③行程增加,載荷降低,鉚釘和套環(huán)分離。短尾拉鉚釘和套環(huán)拉脫數(shù)據(jù)見表3,從表中可以看出10.9 短尾拉鉚釘拉脫力明顯大于8.8級(jí)短尾拉鉚釘拉脫力,兩者均符合TJ00009-2012 以及運(yùn)裝貨車 [2010]575 號(hào)文件等文件中規(guī)定的力學(xué)性能要求[4]。
表3 拉脫過程行程載荷數(shù)據(jù)(kN)Tab.3 Loading data during breaking process
表4 鉚接過程鉚接工具應(yīng)力(MPa)Tab.4 Stress analysis of tooling during operation
圖10 是鉚接過程卡爪應(yīng)力分布情況,最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡爪環(huán)槽底部和受力面處,圖11 是鉚接過程槍頭應(yīng)力分布情況,最大應(yīng)力出現(xiàn)在與套環(huán)接觸處得變形過渡帶(喇叭口)。鉚接過程卡爪和槍頭最大應(yīng)力情況見表4,因此,卡爪和槍頭需要使用高強(qiáng)度工具鋼材料。
用萬能試驗(yàn)儀和多路顯示儀等設(shè)備對(duì)10.9級(jí)短尾拉鉚釘進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),拉鉚釘試驗(yàn)項(xiàng)目主要有壓緊力、剪切力、拉脫力等試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析可得,10.9級(jí)短尾拉鉚釘試驗(yàn)值符合企業(yè)技術(shù)文件等要求。
圖10 鉚接時(shí)卡爪等效應(yīng)力分布圖Fig.10 Equivalent stress analysis for holder during operation
圖11 鉚接時(shí)槍頭等效應(yīng)力分布圖Fig.11 Equivalent stress analysis for head during operation
表5 10.9級(jí)短尾拉鉚釘力學(xué)性能試驗(yàn)(kN)Tab.5 Mechanical testing for grade 10.9 Bobtail
通過DEFORM 軟件和試驗(yàn)的方式對(duì)10.9級(jí)短尾拉鉚釘進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)利用剛塑性有限元理論對(duì)10.9級(jí)短尾拉鉚釘?shù)脑O(shè)計(jì)進(jìn)行分析,得出10.9級(jí)短尾拉鉚釘在安裝使用過程中的鉚接行程載荷曲線、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和拉鉚銷使用過程中的拉脫行程載荷曲線、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等情況,并與8.8級(jí)短尾拉鉚釘進(jìn)行對(duì)比分析。
(2)通過對(duì)鉚接工具應(yīng)力分析得出安裝使用過程中鉚接工具的應(yīng)力分布情況。
(3)分析結(jié)果顯示鉚釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,安裝使用性能良好,鉚接后力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)要求。
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