CN107194057A - 壁板铆接扭翘变形预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种壁板铆接扭翘变形预测方法，基于有限元仿真软件，针对飞机壁板铆接过程提出一种局部变形场加载方法，略去了铆钉、压力脚衬套及压边圈模型和它们之间的相互接触作用；通过建立壁板“实体‑壳”等效仿真模型，在满足精度要求的条件下极大地简化仿真模型；改进了原有方法所建立模型计算数据量庞大，计算效率低，甚至无法进行计算的问题，使得对大型壁板的铆接扭翘预测变成可行。本发明大幅度提高计算效率，快速得到壁板铆接扭翘变形的结果，为后续变形控制提供依据，具有广阔的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于飞机壁板装配变形预测及控制领域，涉及飞机壁板铆接装配工艺仿真，具体的说，是一种对飞机壁板铆接后扭翘变形进行预测的计算方法。
背景技术
大尺寸壁板是飞机结构中的重要组件，一般由蒙皮、长桁、隔框和角片等薄壁零件铆接而成。由于薄壁零件刚度小、易变形，极易在铆接过程中产生装配变形，并随着装配流程的进行而不断传递，最终影响了产品的尺寸完整性和气动力学性能。随着新型号飞机对装配准确度要求的提高，飞机外形尺寸的精确控制是其研究中重要内容。因此，在壁板铆接装配前开展变形预测，并采取措施将变形量控制在尺寸容差之内，具有重要意义。
在实际装配过程中，工艺人员已经意识到装配变形的普遍存在，但主要通过经验或专用工装来控制变形，无法量化壁板在铆接过程中产生的变形。以自动钻铆机为代表的自动化连接设备在一定程度上提高了铆接质量的一致性，但仍无法避免铆接变形的产生。现行的铆接变形预测方法主要是通过动力学有限元对铆接过程进行仿真，但大多围绕单钉、几个钉、乃至十几个铆钉的铆接变形展开研究，规律性不强，且计算费时费力。大尺寸壁板装配过程中涉及成百上千个铆钉的安装，利用现有方法难以进行模拟。
目前国内外没有与自动钻铆壁板铆接扭翘变形预测方法相关的专利，但找到了部分关于其他连接方式变形预测方法的文献资料。如Masters等在文献Modellingdistortion induced in an assembly by the self-piercing rivet process(Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal ofEngineering Manufacture,2011,226(2):300-312)中提出将自冲铆接引起的局部变形映射到全局模型中，以计算装配过程的变形。李娅娜等在文献“基于“局部-整体”映射有限元的大型焊接结构变形仿真研究”(机械工程学报,2014,50(8):40-44)中将焊接局部塑性变形通过宏单元映射到整体焊接结构，实现了大型焊接结构的变形预测，但不论是自冲铆接还是焊接，都不同于壁板铆接装配，因其变形机理不同，预测方法也不能生搬硬套，故需要提出专门针对壁板自动钻铆的扭翘变形预测计算方法。
发明内容
为克服现有技术中存在的不能对大尺寸壁板铆接装配过程进行模拟的不足，本发明提出了一种壁板铆接扭翘变形预测方法
本发明的具体过程是：
步骤1：建立单钉铆接有限元模型所含各零件的仿真模型。
所述的仿真模型为四分之一的仿真模型，包括上铆模、下铆模、压力脚衬套、局部蒙皮、局部长桁、压边圈和铆钉。其中局部蒙皮位于所述局部长桁的上表面，通过铆钉将所述的局部蒙皮与局部长桁铆接。所述压边圈位于所述局部长桁的下表面且压边圈的上表面贴紧局部长桁的下表面；所述压力脚衬套位于所述局部蒙皮的上表面且压力脚衬套的下表面贴紧局部蒙皮的上表面；所述的上铆模和下铆模分别位于所述铆钉的顶端和底端，上铆模的下表面贴紧铆钉的上端面，下铆模的上表面贴紧铆钉的下端面；局部蒙皮和局部长桁上的铆钉孔、铆钉、压边圈、压力脚衬套均同轴；局部蒙皮的下表面与局部长桁的上表面贴紧；铆钉的上端面高出局部蒙皮的上表面4.572mm。
步骤2：设置各零件的材料属性。
所述仿真模型中各零件的材料属性中，其中铆钉的本构关系采用Johnson-cook模型，为：
σ＝[A+Bεn][1+Clnε*][1-T*m]
式中：σ是Von Mises流动应力；ε是等效塑性应变；ε*是无量纲的塑性应变率；A是静力学实验的屈服强度；B是抗拉强度；C是应变率强化系数；n是硬化指数；m是温度软化系数；T*是无量纲的温度项。
所述的
式中：
T是试件温度；Tm是材料熔点；Tr是参考温度。
局部蒙皮和局部长桁材料为铝合金7075系列，杨氏模量71.4Gpa，泊松比0.33；铝合金7075的本构关系采用刚塑性硬化模型：
式中：
εp——塑性应变；
A——初始屈服应力；
B——强度系数；
n——硬化指数；
步骤3：对铆钉和局部蒙皮等零件进行预装配。
步骤4：进行仿真分析步设置。
所述的分析步类型为动态显式。设置所述分析步的时间。具体是：
根据实际铆接过程设置3个动态显式分析步：第一个动态显式分析步是压铆过程，时间设定为0.05秒，此阶段时模型中压力脚衬套和压边圈压住局部蒙皮与局部长桁，上铆模与下铆模在压铆力驱动下挤压铆钉完成压铆过程，形成镦头；第二个动态显式分析步是铆模停留阶段，时间设定为0.05秒，铆模按照设定好的停留时间压住铆钉，静止不动；第三个动态显式分析步是上铆模与下铆模撤回过程，时间设定为0.01秒，此阶段铆模与铆钉分离，使得铆钉进行应力释放与回弹。
步骤5：设置单钉铆接有限元模型中各零件之间的接触关系。
所设置的单钉铆接有限元模型中各零件之间的接触关系包含7个接触对，分别为：上铆模的下表面与铆钉的外表面相接触；下铆模的上表面与铆钉的外表面相接触；局部蒙皮的孔壁及局部蒙皮的上表面与铆钉的外表面相接触；局部长桁的孔壁及局部长桁的下表面与铆钉的外表面相接触；压力脚衬套的下表面与局部蒙皮的孔壁及局部蒙皮上表面相接触；局部蒙皮的下表面与局部长桁的上表面相接触；压边圈的上表面与局部长桁的孔壁及局部长桁的下表面相接触。
在设置接触时，各个接触的切向行为和法向行为采用有限滑移，并选取相接触两平面中刚度大的平面作为主面，以防止所建立的单钉铆接有限元模型在计算过程中出现零件相互穿透的现象。
步骤6：进行有限元网格的划分。
所述有限元网格的划分包括对铆钉孔周围区域的划分和对该铆钉孔周围区域以外区域的划分。
该铆钉孔周围区域为所用铆钉直径2倍的范围；所述铆钉孔周围区域的网格尺寸为0.3mm；铆钉孔周围区域之外区域的网格尺寸为0.7mm。
步骤7：确定各零件的边界约束和压铆力。
根据实际铆接工况，对单钉铆接有限元模型中各零件的边界约束和铆接参数进行设置。
所述的边界约束是：
在第一个动态显式分析步中，限制上铆模与下铆模除z向移动外的其余自由度；限制压力脚衬套的全部6个自由度；限制局部蒙皮与局部长桁沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈除z向移动外的其余自由度、
在第二个动态显式分析步中，限制上铆模与下铆模全部6个自由度；限制压力脚衬套的全部6个自由度；限制局部蒙皮与局部长桁沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈的全部6个自由度。
在第三个动态显式分析步中，限制上铆模与下铆模除z向移动外的其余自由度，并令上铆模沿z轴正向移动3mm、下铆模沿z轴负向移动3mm；限制压力脚衬套除z向移动外的其余自由度，并令其沿z轴正向移动3mm；限制局部蒙皮与局部长桁沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈除z向移动外的其余自由度，并令其沿z轴负向移动3mm。
确定压铆力时，压铆力Fsq的加载遵循正弦曲线为：
式中：t是压铆持续时间；t0是压铆设定时间；Fmax是压铆过程中最大压铆力。
步骤8：铆钉孔周围区域局部变形场的提取。
在步骤1～7完成单钉铆接有限元模型的所有建模操作后，对该单钉铆接有限元模型进行仿真计算。从计算结果文件中提取铆钉孔周围网格细化区域的所有网格节点，建立节点集。提取出所述节点集中各节点的位移信息，从而得到铆钉孔周围区域的局部变形场。所述局部变形场是步骤9中建立壁板“实体-壳”等效仿真模型的加载条件。
步骤9：壁板“实体-壳”等效仿真模型构建；
建立壁板“实体-壳”等效仿真模型中所含各零件的仿真模型：
距离铆钉孔中心线2.5倍铆钉半径的区域内采用实体单元模拟；大于铆钉孔中心线2.5倍铆钉半径的区域内采用壳单元模拟；
进行各零件材料属性的设置：
设置所述各零件材料属性的方法与所述的单钉铆接有限元模型中设置局部蒙皮和局部长桁材料属性的方法相同，采用刚塑性硬化模型；
完成蒙皮和长桁的预装配：
蒙皮上包含多个铆钉孔；所述长桁有多个，各长桁上亦各有多个铆钉孔，并且各长桁上铆钉孔数量之和等于蒙皮上铆钉孔数量；蒙皮上各行相邻铆钉孔间的中心距与长桁上相邻的铆钉孔间的中心距相同；
进行仿真分析步设置：
所述仿真分析步设置为动态显式，具体是：一个实体单元局部变形场的加载过程只设置一个动态显式分析步，动态显式分析步时间为0.05秒；
设置蒙皮与长桁的接触关系：
所设置的壁板“实体-壳”等效仿真模型中，蒙皮与各长桁的接触关系为各接触对；
各接触对的切向行为和法向行为采用有限滑移，并选取相接触的两个平面中刚度大的平面作为主面，以防止壁板“实体-壳”等效仿真模型在计算过程中出现零件相互穿透的现象；
步骤10：局部变形场的加载：
将步骤8中得到的局部变形场中各节点的位移信息作为加载条件，依次加载到步骤9中所建立的壁板“实体-壳”等效仿真模型中每一个铆钉孔周围实体单元上，并生成“实体-壳”有限元模型计算的初始.inp和.py文件。
步骤11：壁板“实体-壳”等效仿真模型的计算：
第一步，对壁板“实体-壳”等效仿真模型上第一个铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，得到第一个铆钉孔周围实体单元局部变形场加载的仿真结果。而第二个铆钉孔周围实体单元的局部变形场加载，是在第一个局部变形场加载的仿真结果上进行的。
第二步，编写.inp及.py文件的前处理和后处理操作代码，通过执行前处理和后处理代码，从第一步所得到的仿真结果中提取第二个铆钉孔周围实体单元的节点空间位置信息，以及对局部圆柱坐标系进行修正。
根据提取到的第二个钉孔周围实体单元节点空间位置信息[x,y,z]T，通过对该第二个钉孔实体单元的节点三个分量坐标求和取均值，得实体单元中心点，并取所求得的中心点作为修正后局部圆柱坐标系的原点。再取相同z坐标下不共线的三个点，运用空间向量叉乘求得该三个点所处平面的法线，即为对应局部圆柱坐标系的z轴，从而完成第二个钉孔周围实体单元的局部坐标系修正。
第三步，重复第一步，对壁板“实体-壳”等效仿真模型上第二个铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，得到第二个铆钉孔周围实体单元局部变形场加载的仿真结果。
第四步，重复第二步，完成第三个铆钉孔周围实体单元的局部坐标系修正。
循环第三步和第四步，依次对各铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，通过执行前处理和后处理代码，完成提取各钉孔周围实体单元的空间位置信息，及对其所对应的局部圆柱坐标系进行修正；直至完成对所有铆钉孔周围实体单元的局部变形场加载计算，得到壁板“实体-壳”等效仿真模型的最终计算结果，实现壁板铆接整体变形的预测。
本发明基于有限元仿真软件，针对飞机壁板铆接过程提出一种局部变形场加载方法，从而大幅度提高计算效率，快速得到壁板铆接扭翘变形的结果，为后续变形控制提供依据。
本发明中：
获取单个铆钉铆接后铆钉孔周围的局部变形场：在壁板上诸多需要进行铆接操作的铆接点中选择其中一个，根据该铆接点所处局部区域的壁板结构，建立四分之一的单钉铆接有限元模型。单钉铆接有限元模型中所含的上铆模、下铆模、铆钉、局部蒙皮、局部长桁、压力脚衬套及压边圈的仿真模型，通过调整铆钉直径、铆钉长度、钉孔直径、间距及排距信息，能够满足不同铆接对象的仿真研究；确定单钉铆接时所需的基本工艺信息，如连接件和被连接件所用材料的杨氏模量、密度、应力-应变曲线、泊松比、铆钉规格尺寸和蒙皮厚度等；完成铆接参数设置，包括压铆力、压铆力加载方式、压铆时间和压铆停留时间；对于不同规格的铆钉分别进行单钉铆接有限元模型的仿真计算，获取计算后铆钉孔周围区域的所有节点位移，并以此建立局部变形场，进一步构建出不同规格铆钉在铆接后的局部变形场数据库。
“局部-整体”加载映射计算：实际生产中，在壁板铆接装配时，相同规格铆钉的安装工艺参数均相同，故该类铆钉铆接时在钉孔周围区域产生的局部变形场也基本相同。所以在确定的铆钉规格下，对壁板进行成百上千个铆钉安装时，壁板铆接扭翘变形的预测可从依次仿真每一个铆钉的铆接过程转变为不考虑铆钉的铆接过程，只需将此规格铆钉在单钉铆接过程中产生的局部变形场作为加载条件，依次加载到壁板上各个铆钉孔周围区域对应节点上即可。
建立壁板“实体-壳”等效仿真模型：铆接过程属于金属流动问题，非线性(几何、材料、边界)显著。在铆接过程中，铆钉孔周围区域处于复杂的应力状态，距铆钉孔轴线约2.5R以外区域，其中R为钉孔半径，壁板基本处于平面应力状态。由于壁板钉孔受不均匀挤压，会出现纵向伸长和弯曲现象，壳单元可很好地模拟伸长和弯曲现象；对于应力状态复杂的区域，采用实体单元进行模拟最为合适。因此，建立飞机壁板的“实体-壳”等效仿真模型，模型中实体单元与壳单元相接触的节点采用多点约束MPC进行连接，实体单元与壳单元的接触关系参见图2。实体单元部分为壁板钉孔周围铆接后的复杂应力状态区域，壳单元部分则为壁板所剩下的其余区域，在铆接扭翘变形预测仿真中，将壁板的大部分实体单元转化为壳单元，并且去除了铆钉模型，大幅度地缩减了有限单元数量，也减去了各零件间的接触作用，可极大地减少有限元计算的数据量。
壁板铆接变形连续计算：目前商业有限元仿真软件有很多款，本发明选择其中之一，商业有限元软件ABAQUS作为工具进行仿真计算。首先在建立的飞机壁板“实体-壳”等效仿真模型中，分别为模型中每个铆钉孔周围实体单元区域建立局部圆柱坐标系，并形成一一对应关系，如图3所示；再依据所建立的铆钉局部变形场数据库，将单个铆钉铆接后产生的局部变形场作为加载条件，基于每个铆钉孔周围实体单元所处的局部坐标系，按实际的铆接顺序对每一个铆钉孔周围实体单元依次进行局部变形场的加载，并生成壁板“实体-壳”等效仿真模型计算所需的初始.inp及.py文件，其中.inp文件包含有限元模型的全部信息，.py文件记录有限元模型建立的全部操作过程；图4所示为按铆接顺序对各铆钉孔实体单元进行局部变形场加载后的结果图。但在铆接过程中，每一个铆钉铆接所产生的局部变形场，均会对壁板上其余铆钉孔的空间位置产生微小影响，即导致铆接完一个铆钉后，其他的铆钉孔周围实体单元空间位置发生变化，参见图5。图中d表示铆钉孔移动距离，n与n'分别代表铆接前后该铆钉孔实体单元的法线。故需对其余未进行局部变形场加载的铆钉孔周围实体单元所对应的局部圆柱坐标系需进行修正。所以对上述所生成的有限元计算初始.inp文件，需在提交计算前编写代码进行处理，此操作称之为前处理，在得到仿真计算的结果后也要编写相应代码进行处理，这一操作称为后处理，操作流程如图7所示。后处理操作是在对壁板“实体-壳”等效仿真模型上某一铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载，得出仿真结果之后，通过执行.py文件代码从结果中提取出下一个需要进行局部变形场加载的铆钉孔周实体单元的空间位置信息。前处理操作是根据后处理操作中提取出的空间位置信息，在.inp文件中修正即将进行局部变形场加载的铆钉孔周围实体单元所对应的圆柱坐标系。按流程图6进行循环，最终完成壁板“实体-壳”等效仿真模型的计算，从而实现对壁板铆接扭翘变形的预测。
与现有技术相比较，本发明通过“局部-整体”加载映射方法，略去了铆钉、压力脚衬套及压边圈模型和它们之间的相互接触作用；通过建立壁板“实体-壳”等效仿真模型，在满足精度要求的条件下极大地简化仿真模型；改进了原有方法所建立模型计算数据量庞大，计算效率低，甚至无法进行计算的问题，使得对大型壁板的铆接扭翘预测变成可行。鉴于此，本发明具有广阔的工程应用价值。以某型飞机机翼壁板铆接为分析对象实例进行验证，图7为该机翼壁板结构示意图，结果表明采用本发明方法求解有如下优点：
(1)有效减小了模型计算数据，提高了计算效率。在采用本发明方法建模时候，单元总数为207570，其中实体单元数量为79200个，壳单元数量为128370个。而采用全实体单元建模时，总单元数量约为本发明方法的10倍左右，难以进行运算；
(2)壁板铆接变形预测值基本符合实际铆接变形情况，通过计算得出，该实例含99个铆钉的安装，其最大翘曲变形值为0.758mm，实际测量为0.820mm，相对误差为7.5％，满足实际生产要求。
附图说明
图1是单钉铆接有限元模型中各零件结构示意图。
图2是实体单元与壳单元的接触关系示意图。
图3是壁板每个铆钉孔周围实体单元与其局部圆柱坐标系的对应关系图。
图4是壁板每个铆钉孔周围实体单元依次进行局部变形场加载后的结果图。其中:图4a是对第一个铆钉孔周围实体单元区域进行局部变形场加载后的结果，图4b是在图4a的基础之上对第二个铆钉孔周围实体单元区域进行局部变形场加载后的结果，图4c是在图4b的基础之上对第三个铆钉孔周围实体单元区域进行局部变形场加载后的结果。
图5是在局部变形场加载前后某一铆钉孔所处空间位置变化的示意图。
图6是执行前处理和后处理代码进行壁板“实体-壳”等效仿真模型连续计算的流程图。
图7是实施例中的试验件的三维结构简化模型图。
图8是单钉铆接有限元模型中各零件间相互接触的示意图；图中：a是上铆模的下表面，b是下铆模的上表面，c是铆钉的外表面，d是壁板孔壁及壁板的上表面，e是壁板的下表面，f是长桁的上表面，g是长桁的孔壁及长桁的下表面。
图9是进行网格划分及细化后的有限元网格图。
图10是压铆力加载曲线图。
图11是网格划分后的壁板“实体-壳”等效仿真模型图。
图12是本发明的流程图。
图中：
1.上铆模；2.下铆模；3.压力脚衬套；4局部蒙皮；5.局部长桁；6.压边圈；7.铆钉；8.蒙皮；9.第一Z型长桁；10.第二Z型长桁；11.第三Z型长桁。
具体实施方式
本实施例为某型飞机壁板组件比例试验件，为了快速准确预测该试验件在进行铆接后的扭翘变形，本实施例中通过有限元软件ABAQUS对壁板铆接扭翘变形进行仿真计算，具体过程是：
步骤1：建立单钉铆接有限元模型所含各零件的仿真模型。图1所示为四分之一的仿真模型。所述的仿真模型包括上铆模1、下铆模2、压力脚衬套3、局部蒙皮4、局部长桁5、压边圈6和铆钉7。其中局部蒙皮4位于所述局部长桁5的上表面，通过铆钉7将所述的局部蒙皮与局部长桁铆接。所述压边圈6位于所述局部长桁5的下表面且压边圈6的上表面贴紧局部长桁5的下表面；所述压力脚衬套3位于所述局部蒙皮4的上表面且压力脚衬套3的下表面贴紧局部蒙皮4的上表面；所述的上铆模1和下铆模2分别位于所述铆钉7的顶端和底端，上铆模1的下表面贴紧铆钉7的上端面，下铆模2的上表面贴紧铆钉7的下端面；局部蒙皮4和局部长桁5上的铆钉孔、铆钉7、压边圈6、压力脚衬套3均同轴；局部蒙皮4的下表面与局部长桁5的上表面贴紧；铆钉7的上端面高出局部蒙皮4的上表面4.572mm。
步骤2：设置铆钉7、局部蒙皮4、局部长桁5、上铆模1、下铆模2、压力脚衬套3及压边圈6的材料属性。其中铆钉材料为铝合金2A10，杨氏模量69Gpa，泊松比0.33，因为压铆时间短，需考虑材料变形速率对材料性能的影响，所以铆钉2A10材料的本构关系采用Johnson-Cook模型：
σ＝[A+Bεn][1+Clnε*][1-T*m]
式中：σ是Von Mises流动应力；ε是等效塑性应变；ε*是无量纲的塑性应变率；A是静力学实验的屈服强度；B是抗拉强度；C是应变率强化系数；n是硬化指数；m是温度软化系数；T*是无量纲的温度项。所述的T*：
式中：
T是试件温度；Tm是材料熔点；Tr是参考温度。
壁板和长桁材料为铝合金7075，杨氏模量71.4Gpa，泊松比0.33；铝合金7075的本构关系采用刚塑性硬化模型：
式中：εp是塑性应变；A是初始屈服应力；B是强度系数；n是硬化指数。
上铆模、下铆模、压力脚衬套及压边圈结构刚度很大，为不变形体，其杨氏模量E统一设置为200GPa，泊松比0.33。
步骤3：对铆钉和局部蒙皮等零件进行预装配。按图1所示建立的仿真模型，完成上铆模1、下铆模2、压力脚衬套3、局部蒙皮4、局部长桁5、压边圈6和铆钉7的装配。
步骤4：进行仿真分析步设置：所述的分析步类型为动态显式。设置所述分析步的时间，具体是：
根据实际铆接过程设置3个动态显式分析步：第一个动态显式分析步是压铆过程，时间设定为0.05秒，此阶段时模型中压力脚衬套和压边圈压住局部蒙皮与局部长桁，上铆模与下铆模在压铆力驱动下挤压铆钉完成压铆过程，形成镦头；第二个动态显式分析步是铆模停留阶段，时间设定为0.05秒，铆模按照设定好的停留时间压住铆钉，静止不动；第三个动态显式分析步是上铆模与下铆模撤回过程，时间设定为0.01秒，此阶段铆模与铆钉分离，使得铆钉进行应力释放与回弹。
步骤5：进行单钉铆接有限元模型中各零件之间接触关系的设置：在设置接触时，各个接触的切向行为和法向行为采用有限滑移，并选取相接触两平面中刚度大的平面作为主面，以防止所建立的单钉铆接有限元模型在计算过程中出现零件相互穿透的现象。图8所示为单钉铆接有限元模型各零件接触关系的截面图，包含7个接触对，分别为：上铆模的下表面a与铆钉的外表面c相接触；下铆模的上表面b与铆钉的外表面c相接触；壁板的孔壁及壁板的上表面d与铆钉的外表面c相接触；长桁的孔壁及长桁的下表面g与铆钉的外表面c相接触；压力脚衬套的下表面h与壁板孔壁及壁板上表面d相接触；壁板的下表面e与长桁的上表面f相接触；压边圈的上表面i与长桁的孔壁及长桁的下表面g相接触。
步骤6：进行有限元网格的划分：所述有限元网格的划分包括对铆钉孔周围区域的划分和对该铆钉孔周围区域以外区域的划分。
考虑到单钉铆接有限元模型的计算成本及收敛性，本发明中单钉铆接有限元模型即采用C3D8R单元进行网格划分。在有限元仿真中，网格尺寸依据有限元模型尺寸和计算精度要求而定。铆接中，铆接的大变形区域很小并集中在铆钉孔周围区域内，该铆钉孔周围区域为所用铆钉直径2倍的范围。
为了兼顾精度和计算效率，只需对铆钉孔周围区域进行网格细化。对于本发明所采用的单钉铆接有限元模型，铆钉孔周围区域的网格尺寸设定为0.3mm；铆钉孔周围区域之外区域的网格尺寸设为0.7mm，网格划分结果参见图9。
步骤7：确定各零件的边界约束和压铆力：
根据实际铆接工况，对单钉铆接有限元模型中各零件的边界约束和铆接参数进行设置。
所述的边界约束是：
在第一个动态显式分析步中，限制上铆模1与下铆模2除z向移动外的其余自由度；限制压力脚衬套3的全部6个自由度；限制局部蒙皮4与局部长桁5沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈6除z向移动外的其余自由度、
在第二个动态显式分析步中，限制上铆模1与下铆模2全部6个自由度；限制压力脚衬套3的全部6个自由度；限制局部蒙皮4与局部长桁5沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈6的全部6个自由度。
在第三个动态显式分析步中，限制上铆模1与下铆模2除z向移动外的其余自由度，并令上铆模1沿z轴正向移动3mm、下铆模沿z轴负向移动3mm；限制压力脚衬套3除z向移动外的其余自由度，并令其沿z轴正向移动3mm；限制局部蒙皮4与局部长桁5沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈6除z向移动外的其余自由度，并令其沿z轴负向移动3mm。
确定压铆力时，根据文献“Riveting process Modeling and Simulation forDeformation Analysis of Aircraft’s Thin-walled Sheet-metal Parts”中压铆力Fsq的加载遵循正弦曲线，如图10所示。
式中：t是压铆持续时间；t0是压铆设定时间；Fmax是压铆过程中最大压铆力。
本实施例确定的最大压铆力Fmax为12000N，压铆设定时间t0为0.05秒。
步骤8：铆钉孔周围区域局部变形场的提取：
在步骤1～7完成单钉铆接有限元模型的所有建模操作后，对该单钉铆接有限元模型进行仿真计算。从计算结果文件中提取铆钉孔周围网格细化区域的所有网格节点，建立节点集。提取出所述节点集中各节点的位移信息，从而得到铆钉孔周围区域的局部变形场。所述局部变形场是步骤9中建立壁板“实体-壳”等效仿真模型的加载条件。
步骤9：壁板“实体-壳”等效仿真模型构建。
建立壁板“实体-壳”等效仿真模型中所含各零件的仿真模型：
在壁板铆接过程中，蒙皮和长桁中的复杂应力状态通常在距离铆钉孔中心线2.5倍铆钉半径的区域内，采用实体单元模拟；而大于2.5倍铆钉半径的区域则近似处于平面应力状态，采用壳单元模拟。
本实施例中所述实体单元模拟的区域是蒙皮8中以铆钉孔中心为中心的周边区域、第一Z型长桁9中以铆钉孔中心为中心的周边区域、第二Z型长桁10中以铆钉孔中心为中心的周边区域以及第三Z型长桁11中以铆钉孔中心为中心的周边区域，该区域的直径为2.5倍的铆钉半径；其余区域用壳单元模拟，实体单元与壳单元的连接采用多点约束MPC。
进行各零件材料属性的设置：
设置所述各零件材料属性的方法与所述的单钉铆接有限元模型中设置局部蒙皮和局部长桁材料属性的方法相同，采用刚塑性硬化模型。
完成蒙皮和长桁的预装配：
蒙皮上包含多个铆钉孔，所述的长桁包括第一Z型长桁、第二Z型长桁、第三Z型长桁。在所述第一Z型长桁、第二Z型长桁、第三Z型长桁上亦各有多个铆钉孔，并且所述第一Z型长桁、第二Z型长桁、第三Z型长桁上铆钉孔数量之和等于蒙皮上铆钉孔数量。蒙皮上各行相邻铆钉孔间的中心距与长桁上相邻铆钉孔间的中心距相同，预装配时第一Z型长桁的铆钉孔、第二Z型长桁的铆钉孔及第三Z型长桁的铆钉孔与蒙皮的铆钉孔一一对应且同轴，第一Z型长桁、第二Z型长桁、第三Z型长桁的下表面紧贴蒙皮的上表面。
本实施例中，蒙皮上铆钉孔的数量为99个；所述第一Z型长桁、第二Z型长桁、第三Z型长桁上铆钉孔的数量分别为33个。
进行仿真分析步设置：
所述仿真分析步设置为动态显式，具体是：一个实体单元局部变形场的加载过程只设置一个动态显式分析步，动态显式分析步时间为0.05秒。
设置蒙皮与长桁的接触关系：
所设置的壁板“实体-壳”等效仿真模型中蒙皮与长桁的接触关系包含3个接触对：第一Z型长桁的下表面与蒙皮上表面接触、第二Z型长桁的下表面与蒙皮上表面接触、第三Z型长桁的下表面与蒙皮上表面接触。
在设置蒙皮与长桁的接触属性时，3个接触对的切向行为和法向行为采用有限滑移，并选取相接触两平面中刚度大的平面作为主面，以防止壁板“实体-壳”等效仿真模型在计算过程中出现零件相互穿透的现象。
步骤10：局部变形场的加载：
将步骤8中得到的局部变形场中各节点的位移信息作为加载条件，依次加载到步骤9中所建立的壁板“实体-壳”等效仿真模型中每一个铆钉孔周围实体单元上，并生成“实体-壳”有限元模型计算的初始.inp和.py文件。
步骤11：壁板“实体-壳”等效仿真模型的计算：
第一步，对壁板“实体-壳”等效仿真模型中第一个铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，得到第一个铆钉孔周围实体单元局部变形场加载的仿真结果。而第二个铆钉孔周围实体单元的局部变形场加载，是在第一个局部变形场加载的仿真结果上进行的。
第二步，编写.inp及.py文件的前处理和后处理操作代码，通过执行前处理和后处理代码，从第一步所得到的仿真结果中提取第二个铆钉孔周围实体单元的节点空间位置信息，以及对局部圆柱坐标系进行修正。
根据提取到的第二个钉孔周围实体单元节点空间位置信息[x,y,z]T，通过对该第二个钉孔实体单元的节点三个分量坐标求和取均值，得实体单元中心点，并取所求得的中心点作为修正后局部圆柱坐标系的原点。再取相同z坐标下不共线的三个点，运用空间向量叉乘求得该三个点所处平面的法线，即为对应局部圆柱坐标系的z轴，从而完成第二个钉孔周围实体单元的局部坐标系修正。
第三步，重复第一步，对壁板“实体-壳”等效仿真模型中第二个铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，得到第二个铆钉孔周围实体单元局部变形场加载的仿真结果。
第四步，重复第二步，完成第三个铆钉孔周围实体单元的局部坐标系修正。
循环第三步和第四步，依次对各铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，通过执行前处理和后处理代码，完成提取各钉孔周围实体单元的空间位置信息，及对其所对应的局部圆柱坐标系进行修正；直至完成对所有铆钉孔周围实体单元的局部变形场加载计算，得到壁板“实体-壳”等效仿真模型的最终计算结果，实现壁板铆接整体变形的预测。
Claims (8)
1.一种壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1：建立单钉铆接有限元模型所含各零件的仿真模型；
步骤2：设置仿真模型中各零件的材料属性；
步骤3：对铆钉和局部蒙皮等零件进行预装配；
步骤4：进行仿真分析步设置：
所述的分析步类型为动态显式；设置所述分析步的时间；
步骤5：设置单钉铆接有限元模型中各零件之间的接触关系；
步骤6：进行有限元网格的划分：
所述有限元网格的划分包括对铆钉孔周围区域的划分和对该铆钉孔周围区域以外区域的划分；
该铆钉孔周围区域为所用铆钉直径2倍的范围；所述铆钉孔周围区域的网格尺寸为0.3mm；铆钉孔周围区域之外区域的网格尺寸为0.7mm；
步骤7：确定各零件的边界约束和压铆力：
根据实际铆接工况，对单钉铆接有限元模型中各零件的边界约束和铆接参数进行设置；
所述的边界约束是：
在第一个动态显式分析步中，限制上铆模与下铆模除z向移动外的其余自由度；限制压力脚衬套的全部6个自由度；限制局部蒙皮与局部长桁沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈除z向移动外的其余自由度、
在第二个动态显式分析步中，限制上铆模与下铆模全部6个自由度；限制压力脚衬套的全部6个自由度；限制局部蒙皮与局部长桁沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈的全部6个自由度；
在第三个动态显式分析步中，限制上铆模与下铆模除z向移动外的其余自由度，并令上铆模沿z轴正向移动3mm、下铆模沿z轴负向移动3mm；限制压力脚衬套除z向移动外的其余自由度，并令其沿z轴正向移动3mm；限制局部蒙皮与局部长桁沿x轴向上两侧端面除x向移动外的其余自由度；限制压边圈除z向移动外的其余自由度，并令其沿z轴负向移动3mm；
确定压铆力时，压铆力Fsq的加载遵循正弦曲线为：
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>q</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mi>max</mi>
</msub>
<mi>sin</mi>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&pi;</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>t</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mn>0</mn>
<mo>&le;</mo>
<mi>t</mi>
<mo>&le;</mo>
<msub>
<mi>t</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mn>0</mn>
<mo>,</mo>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>></mo>
<msub>
<mi>t</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
式中：t是压铆持续时间；t0是压铆设定时间；Fmax是压铆过程中最大压铆力；
步骤8：铆钉孔周围区域局部变形场的提取：
在步骤1～7完成单钉铆接有限元模型的所有建模操作后，对该单钉铆接有限元模型进行仿真计算；从计算结果文件中提取铆钉孔周围网格细化区域的所有网格节点，建立节点集；提取出所述节点集中各节点的位移信息，从而得到铆钉孔周围区域的局部变形场；所述局部变形场是步骤9中建立壁板“实体-壳”等效仿真模型的加载条件；
步骤9：壁板“实体-壳”等效仿真模型构建：
建立壁板“实体-壳”等效仿真模型中所含各零件的仿真模型：
距离铆钉孔中心线2.5倍铆钉半径的区域内采用实体单元模拟；大于铆钉孔中心线2.5倍铆钉半径的区域内采用壳单元模拟；
进行各零件材料属性的设置：
设置所述各零件材料属性的方法与所述的单钉铆接有限元模型中设置局部蒙皮和局部长桁材料属性的方法相同，采用刚塑性硬化模型；
完成蒙皮和长桁的预装配：
蒙皮上包含多个铆钉孔；所述长桁有多个，各长桁上亦各有多个铆钉孔，并且各长桁上铆钉孔数量之和等于蒙皮上铆钉孔数量；蒙皮上各行相邻铆钉孔间的中心距与长桁上相邻的铆钉孔间的中心距相同；
进行仿真分析步设置：
所述仿真分析步设置为动态显式，具体是：一个实体单元局部变形场的加载过程只设置一个动态显式分析步，动态显式分析步时间为0.05秒；
设置蒙皮与长桁的接触关系：
所设置的壁板“实体-壳”等效仿真模型中，蒙皮与各长桁的接触关系为各接触对；各接触对的切向行为和法向行为采用有限滑移，并选取相接触的两个平面中刚度大的平面作为主面，以防止壁板“实体-壳”等效仿真模型在计算过程中出现零件相互穿透的现象；
步骤10：局部变形场的加载：
将步骤8中得到的局部变形场中各节点的位移信息作为加载条件，依次加载到步骤9中所建立的壁板“实体-壳”等效仿真模型中每一个铆钉孔周围实体单元上，并生成“实体-壳”有限元模型计算的初始.inp和.py文件；
步骤11：壁板“实体-壳”等效仿真模型的计算：
第一步，对壁板“实体-壳”等效仿真模型中第一个铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，得到第一个铆钉孔周围实体单元局部变形场加载的仿真结果；而第二个铆钉孔周围实体单元的局部变形场加载，是在第一个局部变形场加载的仿真结果上进行的；
第二步，编写.inp及.py文件的前处理和后处理操作代码，通过执行前处理和后处理代码，从第一步所得到的仿真结果中提取第二个铆钉孔周围实体单元的节点空间位置信息，以及对局部圆柱坐标系进行修正；
根据提取到的第二个钉孔周围实体单元节点空间位置信息[x,y,z]T，通过对该第二个钉孔实体单元的节点三个分量坐标求和取均值，得实体单元中心点，并取所求得的中心点作为修正后局部圆柱坐标系的原点；再取相同z坐标下不共线的三个点，运用空间向量叉乘求得该三个点所处平面的法线，即为对应局部圆柱坐标系的z轴，从而完成第二个钉孔周围实体单元的局部坐标系修正；
第三步，重复第一步，对壁板“实体-壳”等效仿真模型中第二个铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，得到第二个铆钉孔周围实体单元局部变形场加载的仿真结果；
第四步，重复第二步，完成第三个铆钉孔周围实体单元的局部坐标系修正；
循环第三步和第四步，依次对各铆钉孔周围实体单元进行局部变形场的加载仿真计算，通过执行前处理和后处理代码，完成提取各钉孔周围实体单元的空间位置信息，及对其所对应的局部圆柱坐标系进行修正；直至完成对所有铆钉孔周围实体单元的局部变形场加载计算，得到壁板“实体-壳”等效仿真模型的最终计算结果，实现壁板铆接整体变形的预测。
2.如权利要求1所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，所述的仿真模型为四分之一的仿真模型，包括上铆模、下铆模、压力脚衬套、局部蒙皮、局部长桁、压边圈和铆钉；其中局部蒙皮位于所述局部长桁的上表面，通过铆钉将所述的局部蒙皮与局部长桁铆接；所述压边圈位于所述局部长桁的下表面且压边圈的上表面贴紧局部长桁的下表面；所述压力脚衬套位于所述局部蒙皮的上表面且压力脚衬套的下表面贴紧壁板的上表面；所述的上铆模和下铆模分别位于所述铆钉的顶端和底端，上铆模的下表面贴紧铆钉的上端面，下铆模的上表面贴紧铆钉的下端面；局部蒙皮和局部长桁上的铆钉孔、铆钉、压边圈、压力脚衬套均同轴；局部蒙皮的下表面与局部长桁的上表面贴紧；铆钉的上端面高出局部蒙皮的上表面4.572mm。
3.如权利要求1所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，所述仿真模型中各零件的材料属性中，铆钉的本构关系采用Johnson-cook模型，为：
σ＝[A+Bεn][1+Clnε*][1-T*m]
式中：σ是Von Mises流动应力；ε是等效塑性应变；ε*是无量纲的塑性应变率；A是静力学实验的屈服强度；B是抗拉强度；C是应变率强化系数；n是硬化指数；m是温度软化系数；T*是无量纲的温度项。
4.如权利要求3所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，
所述的
式中：
T是试件温度；Tm是材料熔点；Tr是参考温度。
5.如权利要求1所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，所述设置的仿真分析步时间的具体过程是：
根据实际铆接过程设置3个动态显式分析步：第一个动态显式分析步是压铆过程，时间设定为0.05秒，此阶段时模型中压力脚衬套和压边圈压住局部蒙皮与局部长桁，上铆模与下铆模在压铆力驱动下挤压铆钉完成压铆过程，形成镦头；第二个动态显式分析步是铆模停留阶段，时间设定为0.05秒，铆模按照设定好的停留时间压住铆钉，静止不动；第三个动态显式分析步是上铆模与下铆模撤回过程，时间设定为0.01秒，此阶段铆模与铆钉分离，使得铆钉进行应力释放与回弹。
6.如权利要求1所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，所设置的单钉铆接有限元模型中各零件之间的接触关系的接触对分别为：上铆模的下表面与铆钉的外表面的接触；下铆模的上表面与铆钉的外表面的接触；局部蒙皮的孔壁及局部蒙皮的上表面与铆钉的外表面的接触；长桁的孔壁及长桁的下表面与铆钉的外表面的接触；压力脚衬套的下表面与局部蒙皮的孔壁及局部蒙皮的上表面相接触；局部蒙皮的下表面与长桁的上表面相接触；压边圈的上表面与长桁的孔壁及长桁的下表面相接触。
7.如权利要求1所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，在设置接触时，各个接触的切向行为和法向行为采用有限滑移，并选取相接触两平面中刚度大的平面作为主面，以防止所建立的单钉铆接有限元模型在计算过程中出现零件相互穿透的现象。
8.如权利要求1所述壁板铆接扭翘变形预测方法，其特征在于，建立壁板“实体-壳”等效仿真模型，采用多点约束MPC连接实体单元与壳单元，将壁板的大部分实体单元转化为壳单元，并且去除了铆钉模型；通过将单钉铆接有限元模型中提取到的局部变形场加载到壁板“实体-壳”等效仿真模型每一个实体单元上，减去了各零件间的接触作用，极大地减少有限元计算的数据量，提高计算效率。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200714 Termination date: 20210519 |
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