孫文豪，張德強，姜亞通，沈 彪，國世帥

基于ABAQUS的鉚釘變形受力過程分析

孫文豪，張德強，姜亞通，沈 彪，國世帥

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

為了研究鉚接過程的鉚釘變形情況，將鉚接過程簡化為5個階段，基于ABAQUS有限元仿真和理論，采用理論分析和有限元分析相結(jié)合的方法，分析了在每個階段鉚釘?shù)氖芰σ约白冃吻闆r。通過ABAQUS有限元仿真模擬鉚接過程，系統(tǒng)的分析了在鉚接過程中鉚釘和上下連接板的應(yīng)力應(yīng)變變化情況，從而得到鉚釘和上下連接板的應(yīng)力應(yīng)變的分布及其變形規(guī)律。

變形分析；鉚接；有限元；應(yīng)力；應(yīng)變

隨著對汽車輕量化的研究，輕量化材料在汽車行業(yè)中的使用日益增長[1]?？紤]連接失效問題對輕量化材料在汽車上的運用有著重要影響[2]，傳統(tǒng)焊接技術(shù)由于熱影響和應(yīng)力集中的存在，導(dǎo)致的焊接缺陷會大大降低焊接接頭的可靠性[3]，而螺栓連接雖然工藝過程簡單、能將各種不同材質(zhì)相連接，但易松動[4]，而鉚接技術(shù)其工藝過程簡單，連接強度穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)各種不同材質(zhì)復(fù)雜構(gòu)件之間的連接[5]，通過鉚接技術(shù)將輕量化鋁合金連接，已廣泛應(yīng)用汽車行業(yè)。本文基于鉚接理論基礎(chǔ)，簡述半圓頭鉚釘鉚接過程，利用ABAQUS有限元進行鉚接過程模擬，針對研究有限元仿真軸對稱模型下的鉚接過程，仿真單個鉚釘?shù)陌惭b過程，對鉚接過程中成形的力進行預(yù)測[6]。連接件的質(zhì)量影響整體的可靠性和安全性，研究鉚釘?shù)奈恢脤︺T釘連接件有著重要的影響，運用有限元方法研究多個鉚釘在不同位置時孔周圍的應(yīng)力分布[7]。

1 總體簡述

鉚釘成形的過程其實也就是在鉚接過程中金屬受到壓鉚力從而產(chǎn)生塑性變形的過程。在鉚釘頭鐓粗的過程中，在現(xiàn)實狀況中會與連接件接觸，從而產(chǎn)生摩擦力，所以金屬會在摩擦力的影響下由截面中心區(qū)域向四周呈放射線流動。因此在鉚接過程中，沖頭與鉚釘釘桿接觸后產(chǎn)生摩擦力，鉚釘釘桿與上連接板接觸后產(chǎn)生摩擦力，因此在鉚接過程中，離鉚接中軸線距離越遠，阻力越小，因此金屬質(zhì)點必定會向四周流動，使鉚釘釘桿鐓粗，從而使鐓頭成型。針對本次研究的鉚釘為半圓頭鉚釘，因此對其結(jié)構(gòu)的模型進行簡化。如圖1所示。

圖1 鉚接結(jié)構(gòu)簡化模型

2 鉚釘成型過程

將整個鉚接過程簡化主要分為5個階段，從沖頭接觸鉚釘桿開始，由于沖頭的下壓，從而產(chǎn)生壓鉚力，使鉚釘發(fā)生塑性變形，到完全成形為止[8]。

第一階段：在此階段沖頭自上而下運動，直至接觸到鉚釘釘桿，隨著沖頭下壓鉚釘桿，壓鉚力開始逐漸增加，使鉚釘整體開始發(fā)生細微變形，鉚釘桿開始鐓粗，直至鉚釘桿接觸連接件孔內(nèi)壁，此階段結(jié)束。此階段只涉及到鉚釘?shù)淖冃?，力并未傳遞到上下連接板。

第二階段：在此階段隨著沖頭繼續(xù)下壓，鉚釘桿與連接板孔內(nèi)壁接觸區(qū)域逐漸增多。隨著鉚釘繼續(xù)受到?jīng)_頭的下壓，半圓頭鉚釘?shù)你T釘頭部分在凹模的作用下受到擠壓開始發(fā)生變形，此階段結(jié)束。此階段鉚釘頭發(fā)生變形，鉚釘釘桿充分接觸連接板內(nèi)孔壁，鐓頭未形成，如圖2所示。

圖2 鉚釘頭受力示意圖

第三階段：在此階段隨著沖頭位移的增加，鉚釘頭在凹模的作用下停止變形，而鉚釘桿在沖頭壓力的作用下開始發(fā)生變形，鉚釘桿開始局部鐓粗，鐓頭開始成形，隨著沖頭繼續(xù)下壓直到鉚釘頭再次發(fā)生形變時，此階段結(jié)束。在此階段，鉚釘桿中的金屬向下流動已趨于飽和，鉚釘桿開始鐓粗，而上下連接板內(nèi)孔壁會受到鉚釘桿膨脹帶來的壓力，如圖3所示。

圖3 鉚釘桿受力圖

第四階段：在此階段隨著沖頭持續(xù)下壓，壓鉚力逐漸增大，鐓頭逐漸開始成型，并與上連接板之間接觸。同時上下連接板因為受到鐓頭的壓力開始發(fā)生變形。與此同時，鉚釘頭受到自上而下的力，在凹模的作用下，鉚釘頭與凹模之間的接觸區(qū)域的摩擦從而導(dǎo)致鉚釘頭發(fā)生變形。當鐓頭達到目標尺寸后，沖頭停止移動，此階段結(jié)束，如圖4所示。

圖4 鐓頭形成和金屬流動

第五階段：在此階段沖頭下壓的速度開始減小，壓鉚力逐漸降低，但在這一過程中，沖頭與鉚釘鐓頭仍然是相互接觸的。最終沖頭停止下壓，并開始上升，沖頭逐漸與鉚釘部分開始分離，壓鉚過程結(jié)束，鉚釘開始彈性回復(fù)階段。

3 有限元仿真

鉚接結(jié)束后的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 鉚接應(yīng)力云圖

從圖5中可以看到，鉚接力和整個結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布都達到最大值。從整個鉚接過程和得到的結(jié)果可以看到，鉚釘在鉚接過程的變化是非常大的。由于鐓頭的成型過程中，鉚釘桿與鉚釘頭受到?jīng)_頭與凹模的擠壓，并作用在連接板上，因此連接板的厚度方向的受到擠壓，而在鉚釘鐓頭與連接板內(nèi)孔邊緣的接觸部分應(yīng)力值最大。這將會對鉚接的整體質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

圖6所示為在ABAQUS仿真軟件的鉚接過程中，通過沖頭下壓鉚釘桿，使壓鉚力作用在鉚釘桿上，使得鉚釘桿鐓粗變形從而形成鐓頭，從而起到連接工件的作用，繼而將力作用在上連接板上所產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)變化結(jié)果。

圖6 上下連接板應(yīng)力應(yīng)變圖比較

通過選取鉚接孔的邊緣處，對比上下連接板的應(yīng)力應(yīng)變，可以看出，在應(yīng)力對比方面，由于鉚釘桿墩粗的過程是具有持續(xù)性，因此上連接板一直受到鐓頭的作用力，而鉚釘頭的變化是間斷性的，因此下連接板受到的力也是間斷性的，所以從圖6中可以看到上連接板的所受的力比下連接板更加的有規(guī)律性。在鉚接過程中，壓鉚力作用在鉚釘桿上，通過力的傳遞性，鉚釘頭首先會發(fā)生變形（圖2），0.1 s之前的應(yīng)變也是如此。在此之后下連接板會發(fā)生一階段的曲折，這是由于在鉚釘頭的變形達到一定程度后不再繼續(xù)變形，鉚釘桿開始鐓粗，這也使得向下傳遞的力逐漸減?。▓D3），在0.1～0.2 s之間的應(yīng)變，下連接板呈現(xiàn)平穩(wěn)過渡，上連接板呈現(xiàn)上升趨勢也是如此。當鉚釘桿鐓粗到一定程度，向下傳遞的力逐漸增大，使得鉚釘桿與鉚釘頭同時開始發(fā)生形變，因此上下連接板的應(yīng)力開始逐漸平穩(wěn)，應(yīng)變呈現(xiàn)上升趨勢（圖4）。

為了能夠更加直觀的看到上下連接板的變形情況，因此在上連接板邊緣處取一節(jié)點，圖7展示了這一節(jié)點在X方向和Y方向的位移。

圖7 上連接板邊緣節(jié)點位移

從圖7中可以看出，在X方向0.25 s之前呈現(xiàn)一條直線，這是因為在此之前鐓頭并未形成，而在此之后這一節(jié)點在X方向開始移動，這是由于在這一階段鉚釘鐓頭逐漸開始成型。在Y方向位移大，是由于在鉚接過程中，壓鉚力迫使上下連接板呈弧形，使其發(fā)生彈性形變，并且在Y方向存在一個曲折階段，上連接板在一定程度上出現(xiàn)了上翹變形，并且在此過程中，連接板孔周邊出先下陷，后上翹。這一過程的出現(xiàn)，是由于鐓頭在成型的過程中而產(chǎn)生的壓力作用在上連接板邊緣處而產(chǎn)生的下陷。

4 結(jié)果與討論

4.1 鉚接理論

在建立的半圓頭鉚接結(jié)構(gòu)簡化模型的基礎(chǔ)上，對其鉚接過程進行階段劃分，并針對每個不同的階段的鉚釘和上下連接板的受力情況進行了說明。

第一階段鉚釘與連接件均無明顯變化；第二階段鉚釘頭受到?jīng)_頭與凹模的作用發(fā)生變形；第三階段鉚釘頭部分的金屬流動達到飽和因此停止變形，在沖頭的作用下鉚釘釘桿開始鐓粗，墩頭開始成形；第四階段鉚釘鐓頭成型，鉚接過程結(jié)束。

4.2 有限元分析

由于鉚接過程是一個瞬時過程，因此運用ABAQUS有限元仿真軟件將其過程細分，從而得到不同階段的鉚接變化。

利用仿真軟件從而得到鉚釘及連接件的應(yīng)力變化情況，繼而能觀察到應(yīng)力集中情況，為后續(xù)的鉚釘連接件的薄弱位置提供依據(jù)。

5 結(jié)束語

基于ABAQUS軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元仿真分析和理論分析的方法，分析鉚釘與連接板在整個鉚接過程中的變形以及應(yīng)力應(yīng)變的狀況。本研究工作只是一個初步的探討，仍有許多需改進和完善的地方。(1)此次研究只是針對單個鉚釘?shù)你T接情況，但考慮實際生產(chǎn)效率，鉚接過程往往是成排同時進行鉚接，各鉚釘之間所造成的變形影響未做更進一步的研究。(2)此次研究的鉚釘和上下連接板應(yīng)力應(yīng)變情況是在鉚接過程中，而當鉚接過程結(jié)束，壓鉚力消失后，所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的情況以及在研究上下連接板的微觀變形方面的問題也未作深入探索。

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Analysis of Rivet Deformation Stress Process Based on ABAQUS

SUN Wen-hao, ZHANG De-qiang, JIANG Ya-tong, SHEN Biao, GUO Shi-shuai

（College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Although the riveting process of rivet joint is only an instantaneous machining process, it is a very complicated problem. In order to further study the rivet deformation during the riveting process, based on ABAQUS finite element simulation and theory, this paper adopts the method of combining theoretical analysis with finite element analysis. The riveting process is simplified into five stages, and the stress and deformation of rivet in each stage are analyzed respectively. ABAQUS finite element simulation is used to simulate the riveting process, and the stress and strain changes of rivet and upper and lower connecting plate in the riveting process are systematically analyzed. The stress and strain distribution and deformation law of rivet and upper and lower connecting plate are obtained.

deformation analysis; rivet joint; finite element; stress; strain

10.15916/j.issn1674-3261.2023.05.007

U445.58+2

A

1674-3261(2023)05-0315-04

2022-07-14

孫文豪(1998-)，男，山東青島人，碩士生。

張德強(1964-)，男，河北石家莊人，教授，碩士。

責任編輯：陳 明