CN103455671A - 电磁铆接接头疲劳寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁铆接接头疲劳寿命预测方法，用于解决现有获取电磁铆接接头疲劳寿命采用试验方法造成的成本高、耗时长的技术问题。技术方案是使用有限元模型进行动态模拟。该有限元模型包括用来表示铆钉和被铆接的金属夹层的多个实体单元。铆钉在受外力作用的铆模的冲击作用下成型，期间铆钉挤压夹层孔使其同步实现弹塑性变形。该方法将有限元计算得到的带残余应力应变的铆接结构作为疲劳寿命分析模型的输入。将有限元结果导入疲劳分析软件中，建立疲劳寿命分析模型并进行疲劳性能的评估，从而预测电磁铆接结构的疲劳寿命，降低了成本、缩短了耗时。
Description
技术领域
本发明涉及一种接头疲劳寿命预测方法，特别是涉及一种电磁铆接接头疲劳寿命预测方法。
背景技术
铆接工艺作为目前飞机结构主要的连接方法之一，其操作简单、连接强度稳定可靠。电磁铆接中铆枪产生的冲击力对铆钉的加载速率极高，可在钉杆与被铆接夹层的孔壁间形成均匀的干涉量，从而延长接头寿命；加上其质量稳定、成本低，已在空客A380等飞机中得到应用（“电磁铆接技术在大飞机制造中的应用初探”，航空学报，2008年第29卷第3期，716-720）。在国内，金属夹层电磁铆接的研究主要集中在试验方面。张海军等人通过试验比较了铝合金夹层中应用锤铆、压铆和电磁铆接工艺时结构的疲劳寿命（“电磁铆接工艺在机翼整体油箱上的应用”，兵工学报，2005年第6期，834-837），尽管试验方法比较直接、可靠，但其效率低、成本高；文献“理想干涉配合铆接”（航空科学技术，2012年第4期，84-86页）指出在最佳工艺参数下电磁铆接结构的疲劳寿命达到最大值，但没有提出铆接结构疲劳寿命的计算方法。工程上通常希望最大程度地延长结构寿命，因此需要预测特定铆接工艺参数下的结构寿命，以确定最佳的工艺参数。根据文献“孔径对铆接连接件疲劳寿命影响的试验”（机械设计与研究，2011年第2期，98-101页），对铆接件疲劳寿命的获取仍然采用了传统的实验方法，该方法成本高，耗时长。
发明内容
为了克服现有获取电磁铆接接头疲劳寿命采用试验方法造成的成本高、耗时长的不足，本发明提供一种电磁铆接接头疲劳寿命预测方法。该方法使用有限元模型进行动态模拟。该有限元模型包括用来表示铆钉和被铆接的金属夹层的多个实体单元。铆钉在受外力作用的铆模的冲击作用下成型，期间铆钉挤压夹层孔使其同步实现弹塑性变形。该方法将有限元计算得到的带残余应力应变的铆接结构作为疲劳寿命分析模型的输入。将有限元结果导入疲劳分析软件中，建立疲劳寿命分析模型并进行疲劳性能的评估，从而预测电磁铆接结构的疲劳寿命，可以降低成本、缩短耗时。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电磁铆接接头疲劳寿命预测方法，其特点是包括以下步骤：
第一步，在ABAQUS平台上建立电磁铆接结构有限元模型，铆接结构具有XOY和YOZ两个对称面。按照镦头模1、钉头模2、铆钉3和夹层4的实际尺寸建立几何模型；划分网格形成单元和节点以得到有限元模型，铆钉3、夹层4的单元数分别为3055、2220，给各单元赋予相应的材料属性；在整个装配体上建立General contact接触，摩擦系数取为0.05；建立Explicit动态显式分析步，分析步时间为800μs；在XOY和YOZ面上分别施加关于XOY和YOZ面的对称约束，并约束两铆模沿X向、Z向的位移及所有转动自由度。镦头模1和钉头模2上分别施加-Y和+Y向铆接力F铆接，其与时间t的关系如下：
其中：Fmax是铆枪输出的最大铆接力；t0是铆枪作用时间，取t0＝315μs。建立分析任务并提交，计算结束后得到带残余应力应变的电磁铆接结构。
第二步，在MSC.Fatigue软件中建立基于有限元计算结果的疲劳寿命分析模型，实现对带残余应力应变的电磁铆接结构的疲劳性能的评估。将第一步得到的带残余应力应变的夹层结构导入到MSC.Fatigue软件，建立疲劳寿命分析模型。在夹层4上施加X方向的疲劳载荷。设置疲劳分析类型为Initiation，输入夹层材料参数：疲劳强度系数σf′＝1564MPa，疲劳强度指数b＝-0.07，疲劳塑性系数εf′＝2.69，疲劳塑性指数c＝-0.96。创建疲劳分析任务并提交计算，得到电磁铆接接头的疲劳寿命。
所述铆枪输出的最大铆接力Fmax＝24kN。
所述铆枪作用时间t0＝315μs。
本发明的有益效果是：该方法使用有限元模型进行动态模拟。该有限元模型包括用来表示铆钉和被铆接的金属夹层的多个实体单元。铆钉在受外力作用的铆模的冲击作用下成型，期间铆钉挤压夹层孔使其同步实现弹塑性变形。该方法将有限元计算得到的带残余应力应变的铆接结构作为疲劳寿命分析模型的输入。将有限元结果导入疲劳分析软件中，建立疲劳寿命分析模型并进行疲劳性能的评估，从而预测电磁铆接结构的疲劳寿命，降低了成本、缩短了耗时。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。电磁铆接接头疲劳寿命预测方法
附图说明
图1是本发明方法用电磁铆接结构装配示意图。
图2是图1中铆钉的尺寸示意图。
图3是图1中夹层的尺寸示意图。
图4是图1中镦头模型腔的剖视图。
图5是本发明方法中铆接夹层所承受的正弦拉伸疲劳载荷谱示意图。
图中，1-镦头模，2-钉头模，3-铆钉，4-夹层。
具体实施方式
参照图1-5。为了克服试验成本高、耗时长的问题，取代目前为获得电磁铆接结构疲劳寿命所采用的试验方法，本发明公布一种利用数值模拟所获得的应力应变结果来计算电磁铆接接头寿命的方法。该方法采用数值模拟得到的结构应力应变作为疲劳寿命模型的输入，从而通过纯粹的计算得到电磁铆接接头的疲劳寿命。该方法与试验方法相比，可以明显地减少寿命获取的成本及耗时。
根据本发明的一个方面，数值模拟由有限元仿真完成，有限元模型用来定义一个具体的金属夹层的电磁铆接过程。该模型包括多个节点和单元，代表镦头模1、钉头模2、铆钉3和金属夹层4。金属夹层和铆钉使用多个实体单元进行建模。铆接前铆钉被预先安装在夹层的孔内。镦头模和钉头模沿孔方向冲击铆钉使其变形并形成镦头；铆钉的变形同时挤压夹层孔壁并促使夹层也发生弹塑性变形，该动态过程由有限元模型进行计算，以求得夹层和铆钉的残余应力应变场。
本发明还包括基于有限元分析结果的疲劳寿命分析模型，用以评估带残余应力应变的电磁铆接结构在疲劳载荷作用下的疲劳性能。有限元计算结束后，为带残余应力应变的铆接结构建立疲劳寿命分析模型，对带残余应力应变的电磁铆接接头的疲劳性能进行评估，预测其疲劳寿命。
铆钉3直径为4mm，外伸量5mm；夹层板4的长度为30mm，宽度为16mm，厚度为3mm；钉孔间隙为0.08mm；镦头模1带一个型腔，型腔内壁角度为66°。夹层4材料为TC4钛合金，铆钉3材料为TB2钛合金，镦头模1和钉头模2为工具钢。
整个电磁铆接工艺在室温下完成。有限元模型采用达索公司的ABAQUS平台上建立，疲劳寿命分析模型在MSC.Software公司的MSC.Fatigue软件中建立，本发明的具体步骤如下：
第一步，在ABAQUS平台上建立电磁铆接结构有限元模型，用以定义TC4钛合金夹层4的电磁铆接过程，铆接结构具有XOY和YOZ两个对称面。按照镦头模1、钉头模2、铆钉3和金属夹层4的实际尺寸建立几何模型；划分网格形成单元和节点以得到有限元模型，铆钉3、夹层4的单元数分别为3055、2220，给各单元赋予相应的材料属性；在整个装配体上建立General contact接触，摩擦系数取为0.05；建立Explicit动态显式分析步，分析步时间为800μs；在XOY和YOZ面上分别施加关于XOY和YOZ面的对称约束，并约束两铆模沿X向、Z向的位移及所有转动自由度。镦头模1和钉头模2上分别施加-Y和+Y向铆接力F铆接，其与时间t的关系如下：
其中：Fmax是铆枪输出的最大铆接力，在此取Fmax＝24kN；t0是其作用时间，取t0＝315μs。建立分析任务并提交，计算结束后得到带残余应力应变的电磁铆接结构。
第二步，在MSC.Fatigue软件中建立基于有限元计算结果的疲劳寿命分析模型，实现对带残余应力应变的电磁铆接结构的疲劳性能的评估。将第一步得到的带残余应力应变的夹层结构导入到MSC.Fatigue软件，建立疲劳寿命分析模型。在夹层上施加X方向的疲劳载荷。设置疲劳分析类型为Initiation，输入夹层材料参数：疲劳强度系数σf′＝1564MPa，疲劳强度指数b＝-0.07，疲劳塑性系数εf′＝2.69，疲劳塑性指数c＝-0.96。创建疲劳分析任务并提交计算。
经以上两步便可得到电磁铆接结构的疲劳寿命。MSC.Fatigue中计算结束后读入结果并在窗口显示，得到本实施例中电磁铆接结构的疲劳寿命为N=40454次。所有分析用时不到两个小时，且均在个人计算机上完成，无需额外成本；而若通过疲劳试验来获得结构的寿命，试件制作及疲劳试验等成本均较高，并且需要花费数天的时间。因此，本发明所公布的电磁铆接结构寿命的计算方法在成本和效率上具有明显的优势。
Claims (3)
1.一种电磁铆接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，在ABAQUS平台上建立电磁铆接结构有限元模型，铆接结构具有XOY和YOZ两个对称面；按照镦头模1、钉头模2、铆钉3和夹层4的实际尺寸建立几何模型；划分网格形成单元和节点以得到有限元模型，铆钉3、夹层4的单元数分别为3055、2220，给各单元赋予相应的材料属性；在整个装配体上建立General contact接触，摩擦系数取为0.05；建立Explicit动态显式分析步，分析步时间为800μs；在XOY和YOZ面上分别施加关于XOY和YOZ面的对称约束，并约束两铆模沿X向、Z向的位移及所有转动自由度；镦头模1和钉头模2上分别施加-Y和+Y向铆接力F铆接，其与时间t的关系如下：
其中：Fmax是铆枪输出的最大铆接力；t0是铆枪作用时间，取t0＝315μs；建立分析任务并提交，计算结束后得到带残余应力应变的电磁铆接结构；
第二步，在MSC.Fatigue软件中建立基于有限元计算结果的疲劳寿命分析模型，实现对带残余应力应变的电磁铆接结构的疲劳性能的评估；将第一步得到的带残余应力应变的夹层结构导入到MSC.Fatigue软件，建立疲劳寿命分析模型；在夹层4上施加X方向的疲劳载荷；设置疲劳分析类型为Initiation，输入夹层材料参数：疲劳强度系数σf′＝1564MPa，疲劳强度指数b＝-0.07，疲劳塑性系数εf′＝2.69，疲劳塑性指数c＝-0.96；创建疲劳分析任务并提交计算，得到电磁铆接接头的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的电磁铆接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述铆枪输出的最大铆接力Fmax＝24kN。
3.根据权利要求1所述的电磁铆接接头疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述铆枪作用时间t0＝315μs。
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