铆模尺寸对电磁铆接铆钉变形及接头力学性能影响研究

发布时间：2020-07-11 06:36

【摘要】：为了解决汽车铝合金车身连接的困难,电磁铆接这种常用于航空航天制造的连接技术得到了人们的重视。本文针对2A10铝合金铆钉和6082-T6铝合金板材,进行了电磁铆接的有限元仿真和工艺试验。探究了铆模深度和角度对电磁铆接变形过程、接头准静态力学性能、疲劳性能以及微观组织形貌的影响。首先采用ANSYS Multiphysics和LS-DYNA建立了电磁铆接多物理场耦合模型,电磁场计算结果表明作用于驱动片上的电磁力与放电电流变化趋势基本相同,等效集中电磁压力的峰值约为220kN,铆模能有效提高钉杆的相对干涉量。同时分析了铆钉镦头内部的应变场、温度场,确定了绝热剪切带是由于材料的相对滑动和热软化效应共同作用产生的。其次,对2A10铝合金铆钉和6082-T6铝合金板料进行了电磁铆接试验。通过对比铆钉镦头尺寸,验证了有限元模型的准确性。金相观察结果显示平镦头、40°镦头内存在上下两条绝热剪切带,而60°、80°镦头内存在一条下剪切带。剪切带内的晶粒发生严重变形。测量了铆钉剖面的维氏硬度,并与数值模拟获取的等效塑性应变对比,证明了二者的变化趋势基本相同。此外确定了铆钉半圆头位置的强化作用最弱。最后,进行了电磁铆接接头的准静态拉脱试验和拉脱疲劳试验。在准静态拉脱试验的研究中,发现准静态拉脱载荷随铆模角度的减小而增大,40°铆模电磁铆接试件最大拉脱力较平冲头电磁铆接试件提升了8.4%。疲劳试验结果表明,铆模成形试件的疲劳寿命优于平冲头电磁铆接和压铆,80°铆模铆接的试件疲劳寿命最佳。铆模成形的试件失效均发生在上板。采用扫描电镜观察断口微观形貌,对疲劳裂纹的扩展过程及接头的失效过程进行了探究。对于板料断裂的失效模式,疲劳裂纹源位于上板下表面与钉孔相连位置。通过对几种铆模角度的疲劳断口进行对比分析,发现40°、60°试件由于干涉量过大,导致板料产生了疲劳裂纹源,加速了板料的疲劳裂纹扩展。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG938
【图文】：

原理图,铆枪,电磁,低压

RLC电路线圈驱动片放大器铆钉铆接板顶铁铆模图 1.1 电磁铆接原理图1.2.2 国内外电磁铆接技术的发展及应用电磁铆接技术的早期研究工作始于美国和前苏联，20 世纪 70 年代初，美国格鲁门宇航公司为 F-14 战斗机开发了一套电磁铆接设备，解决了钛合金结构铆接干涉量不均匀的难题[12]。20 世纪 70 年代至 80 年代，该公司利用电磁铆接的原理，成功开发出应力波制孔、应力波焊接、应力波紧固装配等工艺，并为之申请了多项专利，随后该公司电磁铆接结构的轻量化进行了探究[13]，此外对电磁铆接的疲劳性能进行了系统的研究。研究结果表明，电磁铆接工艺能降低预制孔中裂纹扩展速度，有效提高铆接结构的疲劳寿命。上世纪 70 年代波音公司也自行开发了电磁铆接设备，使用两把电磁铆枪对有液密要求的部位进行双向加载铆接。并为该电磁铆枪申请了专利[14]，到上世纪 80 年代

干涉量,位置,铆钉孔,铆钉

涉量分析涉量是用来衡量铆钉变形后对铆钉孔的扩张量。铆接接头的疲劳寿命[43]。常用相对干涉量或绝对可通过以下公式来表示：( )%-100DDDI00= ×发生扩张变形后的铆钉孔径，D0为铆钉孔的原始干涉量通常由加载侧向铆钉圆头一侧逐渐递减[44]铝合金接头的平均相对干涉量控制在 2%~4%[45]程对铆模深度从 1.2 至 1.7mm、铆模角度自 40o至提取图 2.11 所示三个位置的钉杆直径，通过式(值，如表 2.6 所示。选取两组工艺试验中的平均结果进行对标，如表 2.7 所示，可见数值模拟与

干涉量,模角,响应面,模深

铆模尺寸对电磁铆接铆钉变形及接头力学性能影响研究表 2.7 数值模拟与试验平均相对干涉量对标试验值数值模拟值 0° 2.157% 2.043% 0° 1.337% 1.339% 6 的 30 组数据中随机选取 23 组，采用三次多项式构建铆均相对干涉量的函数表达式，表达式为：3231212220121I = I+ax+bx+cx+dx+exx+fx+gx示平均相对干涉量，1x 表示铆模角度，2x 表示铆模深度式(2.17)中的系数进行拟合。并构建出铆模深度、铆模角度应面，如图 2.12 所示。

【参考文献】