朱亞蓉 馬興海 劉東平 安立輝

（1 天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

（2 南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

（3 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

（4 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

文 摘 為解決玻璃鋼（GFRP）與鋁合金疊層壓鉚過(guò)程中對(duì)GFRP層的損傷問(wèn)題，對(duì)典型GFRP/鋁合金疊層開(kāi)展了2A10 材料Φ4 mm 鉚釘在不同大小預(yù)制孔和壓鉚力下GFRP 材料損傷情況的有限元分析，得到了實(shí)現(xiàn)低損傷壓鉚的預(yù)制孔大小及壓鉚力范圍；根據(jù)仿真結(jié)果開(kāi)展了疊層壓鉚試驗(yàn)研究并對(duì)試片進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、剪切強(qiáng)度分析。結(jié)果表明：GFRP/鋁合金疊層在壓鉚過(guò)程中選用（18.5±0.2）kN 壓鉚力、Φ4.2 mm 預(yù)制孔可實(shí)現(xiàn)GFRP與鋁合金疊層的低損傷壓鉚。

0 引言

玻璃纖維增強(qiáng)塑料常稱之為玻璃鋼（GFRP），具有強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、耐蝕性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、航海、汽車等行業(yè)的產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。在航天產(chǎn)品中，采用GFRP 與鋁合金疊層形成承載結(jié)構(gòu)，在保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。GFRP 與鋁合金疊層鉚接時(shí)工藝方法和工藝參數(shù)若選用不當(dāng)，容易在GFRP 一側(cè)的鉚釘頭或鐓頭周圍出現(xiàn)壓傷、硌傷、分層等缺陷。

呂九九等［4］開(kāi)展了5～10 mm厚度的玻璃鋼與鋁合金夾層2A01、2A10材料Φ4 mm、Φ5 mm鉚釘液壓驅(qū)動(dòng)的壓鉚力試驗(yàn)，得出了符合鉚接技術(shù)條件鐓頭尺寸要求的壓鉚力范圍，并根據(jù)3%～4%干涉量大小確定了Φ4 mm鉚釘制孔參數(shù)為Φ4.1/Φ4.2 mm、Φ5 mm鉚釘制孔參數(shù)為Φ5.1/Φ5.2 mm。代瑛［5］對(duì)復(fù)合材料/2124鋁合金板材疊層開(kāi)展了TA1鉚釘?shù)碾姶陪T接工藝研究，確定了釘孔間隙、鉚釘外伸量、電磁鉚接電壓等工藝參數(shù)。章茂云等［6］對(duì)2.0 mm玻璃鋼/3.0 mm鋁合金板開(kāi)展了2A10鋁合金Φ8 mm鉚釘電磁鉚接參數(shù)試驗(yàn)研究，對(duì)電磁鉚接和氣動(dòng)鉚接接頭進(jìn)行了宏觀剪切試驗(yàn)、拉脫試驗(yàn)和微觀形貌對(duì)比分析，得出在電壓380 V、預(yù)制Φ8.2 mm匹配條件下得到滿足技術(shù)要求的鉚接接頭。本文開(kāi)展GFRP/鋁合金疊層壓鉚過(guò)程、GFRP損傷有限元仿真分析及電動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)的壓鉚試驗(yàn)研究，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、剪切力檢測(cè)等手段確定實(shí)現(xiàn)疊層材料中GFRP層低損傷壓鉚的壓鉚力、預(yù)制孔直徑等工藝參數(shù)并進(jìn)行工程化應(yīng)用驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

GFRP/鋁合金疊層:GFRP 板為乙烯基酯樹(shù)脂玻璃纖維增強(qiáng)塑料，由0°和90°鋪層膠合而成，厚度2.8 mm；鋁板為2A12-T4 材料，厚度3 mm；鉚釘材料2A10-T4、Φ4 mm、長(zhǎng)度11 mm，鉚釘半圓頭在GFRP一側(cè)，鐓頭在鋁板一側(cè)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象示意圖Fig.1 Structure of experiment subjects

2 GFRP損傷仿真分析

2.1 疊層壓鉚過(guò)程仿真

考慮到壓鉚頭相對(duì)于鉚釘及被鉚接件相比變形量很小，可以認(rèn)為是理想剛體，鉚釘和被連接件均設(shè)置為柔性體。ABAQUS 中鉚釘采用3D 旋轉(zhuǎn)來(lái)創(chuàng)建，鋁板采用3D 拉伸來(lái)創(chuàng)建，GFRP 板采用孤立網(wǎng)格的方式建立。建立的模型如圖2所示，包括1 個(gè)鉚釘、2個(gè)被鉚接件（GFRP層、鋁板）和1個(gè)壓鉚頭。

圖2 鉚接有限元模型Fig.2 Dynamic model of riveting

采用C3D8R單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中鉚釘劃分176 770個(gè)單元、GFRP板劃分217 728個(gè)單元、2A12板劃分126 720個(gè)單元、壓鉚頭劃分1 600個(gè)單元。仿真時(shí)間為250 ms，取時(shí)間步長(zhǎng)12.5 ms，獲取每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力云圖，疊層典型節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間云圖如圖3所示，可以看出壓鉚過(guò)程中隨著壓鉚頭的移動(dòng)，鉚釘逐漸發(fā)生變形，其圓柱部分變粗變短，最終形成鐓頭。圖4顯示了GFRP在壓鉚過(guò)程中的應(yīng)變變化，由于GFRP板由0°和90°鋪層膠合而成，在兩個(gè)方向上承力較大，因而應(yīng)變較大，應(yīng)變?cè)茍D呈花瓣形。

圖3 節(jié)點(diǎn)位移-時(shí)間云圖Fig.3 Displacement time nephogram of riveting

圖4 GFRP應(yīng)變-時(shí)間云圖Fig.4 Displacement time nephogram of GFRP composite

2.2 壓鉚力大小范圍

疊層預(yù)制孔分別設(shè)定為Φ4.1 mm、Φ4.2 mm，按照形成Φ（6±0.2）mm、高度（2±0.2）mm 鉚釘鐓頭大小為判定依據(jù)，通過(guò)壓鉚過(guò)程的仿真得出Φ4 mm 2A10鉚釘成型所需的壓鉚力范圍分別為18～20 kN、17.9～19.5 kN。

2.3 GFRP應(yīng)變仿真分析

圖5 不同預(yù)制孔、壓鉚力下GFRP材料損傷情況Fig.5 Damage of GFRP under different pre-drilled hole and riveting force

對(duì)預(yù)制孔分別為Φ4.1、Φ4.2 mm 的疊層進(jìn)行應(yīng)變仿真分析，根據(jù)應(yīng)變仿真得出不同壓鉚力對(duì)應(yīng)的GFRP 最終損傷結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出:（1）同樣大小預(yù)制孔下隨著壓鉚力的增大，GFRP 材料的損傷單元數(shù)逐漸增大；（2）Φ4.2 mm 預(yù)制孔對(duì)應(yīng)的GFRP 材料損傷較Φ4.1 mm 預(yù)制孔對(duì)應(yīng)的GFRP材料損傷單元數(shù)少，例如19.5 kN 時(shí)前者損傷單元數(shù)為2 300 個(gè)而后者損傷單元數(shù)為3 200 個(gè)，前者較后者少900 個(gè)損傷單元。其原因是:（1）在同樣大小預(yù)制孔下，壓鉚力越大成型后的鉚釘釘桿越粗，釘桿對(duì)孔壁的擠壓愈大，GFRP 層的損傷愈嚴(yán)重；（2）在鉚釘長(zhǎng)度一定的情況下，預(yù)制孔越小鉚釘桿在成型過(guò)程中所受的擠壓越嚴(yán)重，GFRP層的損傷更嚴(yán)重。

2.4 小結(jié)

根據(jù)仿真結(jié)果針對(duì)2.8 mm GFRP與3 mm 2A12-T4鋁合金疊層壓鉚2A10材料Φ4 mm鉚釘時(shí)，選擇Φ4.2 mm預(yù)制孔、17.90～19.50 kN壓鉚力時(shí)較Φ4.1 mm預(yù)制孔、18～20 kN壓鉚力時(shí)GFRP損傷小。

3 GFRP/鋁合金疊層壓鉚實(shí)驗(yàn)

按照有限元仿真的結(jié)論，針對(duì)2.8 mm GFRP 與3 mm 鋁合金疊層，選用2A10 材料Φ4 mm×11 mm 鉚釘進(jìn)行壓鉚實(shí)驗(yàn)，壓鉚試片如圖6所示。Φ4.2 mm預(yù)制孔由Φ4.2 mm 鉆頭直接鉆制，壓鉚力分別設(shè)置為17.90、18.30、18.70、19.10、19.50 kN。實(shí)驗(yàn)后對(duì)試片進(jìn)行X射線無(wú)損檢測(cè)、剪切試驗(yàn)。

圖6 GFRP/鋁合金壓鉚試片F(xiàn)ig.6 Riveting specimens of GFRP/Al

3.1 X射線三維無(wú)損檢測(cè)

為判斷鉚接后鉚釘周圍GFRP 板內(nèi)部缺陷情況，使用X 射線三維顯微成像檢測(cè)設(shè)備對(duì)試片進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)備對(duì)試片掃描后生成試片三維模型，通過(guò)軟件對(duì)各截面進(jìn)行觀察，典型截面如圖7所示。不同壓鉚力試片鉚釘中心軸截面無(wú)損檢測(cè)如圖8所示。

圖7 典型截面示意Fig.7 Typical section diagram of scanning stereogram

圖8 不同壓鉚力下中心截面無(wú)損檢測(cè)圖Fig.8 Section diagram of riveting specimens

由不同壓鉚力試片檢測(cè)結(jié)果得出:壓鉚力小時(shí)GFRP 基本沒(méi)有損傷，當(dāng)壓鉚力逐步增大時(shí)出現(xiàn)了疑似纖維斷裂損傷，壓鉚力越大疑似損傷越明顯；壓鉚力小時(shí)，釘桿與釘孔之間存在微小間隙，當(dāng)壓鉚力逐步增大時(shí)間隙逐漸減小并消失。經(jīng)對(duì)比分析，壓鉚力18.3、18.7 kN 的試片在釘桿與GFRP 處無(wú)明顯間隙，纖維損傷情況亦不明顯。

3.2 剪切檢測(cè)

剪切檢測(cè)在CSS-44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。不同壓鉚力下平均剪切力變化趨勢(shì)如圖9所示。

由圖9可得出:（1）不同壓鉚力成型試片的剪切力均大于鉚釘最小破壞剪切力標(biāo)準(zhǔn)值；（2）隨著壓鉚力的增大鉚接試片的平均剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，18.7 kN 壓鉚力制作的試片剪切強(qiáng)度最大為6.96 kN，其次為18.3 kN 壓鉚力制作的試片剪切強(qiáng)度為6.75 kN。

不同壓鉚力壓鉚試片的剪切力-位移曲線如圖10所示。

圖9 不同壓鉚力下剪切力大小對(duì)比Fig.9 Comparison of shear forces of riveting specimens under diffident riveting forces

圖10 不同壓鉚力下鉚接試片的剪切力-位移曲線Fig.10 Shear displacement curves of riveting specimens under diffident riveting forces

由圖10可以看出，在18.3、18.7、19.1 kN 壓鉚下剪切力-位移曲線具有較好的重復(fù)性，其他壓鉚力下剪切力-位移曲線離散性較大。經(jīng)過(guò)對(duì)試件的剪切檢測(cè)分析，由于不同壓鉚力成型試片的剪切強(qiáng)度均大于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鉚釘最小破壞剪切力的要求、18.7 kN壓鉚力的試片剪切強(qiáng)度最大且剪切力-位移曲線重復(fù)性較好，綜合考慮可以選擇（18.5±0.2）kN（即18.3～18.7 kN）作為備選壓鉚力。

3.3 小結(jié)

根據(jù)壓鉚試驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)和剪切力數(shù)據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)2.8 mm GFRP 與3 mm 2A12-T4 鋁合金疊層壓鉚2A10 材料Φ4 mm 鉚釘時(shí)，預(yù)制孔大小選擇Φ4.2 mm、壓鉚力選擇（18.5±0.2）kN。

4 GFRP/鋁合金疊層壓鉚工程驗(yàn)證

按有限元仿真及壓鉚試驗(yàn)確定的壓鉚力和預(yù)制孔大小，利用自動(dòng)鉆鉚裝備進(jìn)行工程應(yīng)用驗(yàn)證，壓鉚產(chǎn)品的局部如圖11所示。通過(guò)觀察，玻璃鋼表面無(wú)泛白等缺陷，釘頭無(wú)明顯壓痕，鐓頭均呈標(biāo)準(zhǔn)鼓型、不存在歪斜等情況。

圖11 GFRP/鋁合金疊層壓鉚工程應(yīng)用產(chǎn)品Fig.11 Riveting space products of GFRP/Al

對(duì)壓鉚和手工鉚的鉚釘各隨機(jī)測(cè)量了200 顆鉚釘?shù)溺咁^尺寸，兩種鉚接方式下鐓頭精度對(duì)比如圖12所示。由圖12可以看出壓鉚鐓頭的一次合格率100%，如圖12中虛線框所示［合格范圍為直徑Φ（6.0±0.4）mm、高度（2±0.4）mm［7］］，經(jīng)計(jì)算79%的鉚釘在Φ（6.0±0.2）/（2±0.2）mm 范圍內(nèi)，如圖12中實(shí)線框范圍內(nèi)；手工鉚接的鐓頭精度離散度大；由此可見(jiàn)該壓鉚形成的鐓頭一致性更好。

圖12 壓鉚與手工鉚接鉚釘鐓頭精度對(duì)比Fig.12 Comparison of rivet head accuracy between press riveting and hand riveting rivets

5 結(jié)論

對(duì)典型GFRP/鋁合金疊層壓鉚工藝開(kāi)展了有限元仿真及試驗(yàn)研究，獲取了GFRP/鋁合金疊層低損傷的壓鉚工藝參數(shù)。對(duì)常用的2A10 材料Φ4 mm 鉚釘鉚接GFRP/鋁合金疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，推薦預(yù)制孔直徑大小為Φ4.2 mm（工程應(yīng)用中可直接采用Φ4.2 mm 鉆頭鉆制）、壓鉚力范圍為（18.5±0.2）kN，在該工藝參數(shù)范圍內(nèi)不僅能夠獲得合格的鉚釘鐓頭、較為理想的剪切強(qiáng)度，而且能夠保證GFRP 材料的擠壓損傷較低，實(shí)現(xiàn)GFRP與鋁合金疊層的低損傷壓鉚。