铝锂合金自动铆接干涉量及残余应力分析

铝锂合金是航空制造中的新型合金材料,其铆接技术是现代飞机制造重要研究方向。铆接后的铝锂合金板孔的干涉量影响到残余应力分布,为了研究铆接过程与残余应力分布特征之间的关系,利用自动钻铆装备对不同厚度的铝锂合金板进行铆接。使用ABAQUS/Explicit对铝锂合金自动压铆过程进行了仿真,通过试验和仿真的方法分析不同压铆力、铆钉长度、壁板厚度和铆钉材料等组合条件下铝锂合金壁板内部所产生的干涉量,进而推导出各工艺条件下铝锂合金壁板厚度方向上残余应力的分布规律。结果表明,2060-T8铝锂合金壁板孔壁产生的干涉量及沿板厚方向分布的残余应力随压铆力的增大而增大,随铆钉长度的增大而减小,随壁板厚度的增加呈现非单调增长的趋势。壁板总厚度为4.2 mm时,平均干涉量及平均残余应力可以达到最大值。相比于2117-T4铝合金铆钉,采用7050-T3铝合金铆钉压铆后2060-T8铝锂合金壁板产生的平均干涉量降低6%～12%,平均残余应力降低8%～12%。     

孔挤压强化对7050铝合金孔结构疲劳性能的影响

为了探究不同相对挤压量的开缝芯棒孔挤压强化对7050铝合金疲劳性能的影响,建立了开缝芯棒孔挤压强化有限元模型,开展了开缝芯棒孔挤压强化试验,分析了孔挤压强化试样孔壁残余应力和受载试样孔壁应力分布规律,探究了相对挤压量、残余应力和疲劳寿命之间的关系,揭示了开缝芯棒孔挤压强化工艺的抗疲劳增益效果。研究结果表明：试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大残余压应力为246.8、338.6和367.7 MPa,相对挤压量与孔壁最大残余压应力呈正相关;受载试样孔壁挤入端,相对挤压量为2%、3%和4%,孔壁最大应力为451.2、368.7和321.6 MPa,相对挤压量与孔壁最大应力呈负相关;相对挤压量为2%、3%和4%的试样中值疲劳寿命是相对挤压量为0的1.17、1.52和1.71倍。     

芯棒直接孔挤压强化7050铝合金疲劳性能研究

为了探究实心芯棒、开缝芯棒两种芯棒直接孔挤压强化方法对7050铝合金疲劳性能的影响,建立了芯棒直接孔挤压强化7050铝合金三维有限元仿真模型,开展了芯棒直接孔挤压强化试验,对比分析了未挤压强化、芯棒直接孔挤压强化试样的孔壁应力、疲劳性能。研究结果表明：芯棒直接孔挤压强化试样铰削加工前后,孔壁最大残余压应力差值小于20 MPa；芯棒直接孔挤压强化后试样孔壁形成的残余压应力能够抵消部分受载过程中产生的拉应力；实心芯棒孔挤压强化试样的中值疲劳寿命是未挤压强化试样的1.46倍,开缝芯棒孔挤压强化试样的中值疲劳寿命是未挤压强化试样的1.52倍；芯棒直接孔挤压强化减小了疲劳源数量,缩小了疲劳裂纹扩展区的疲劳辉纹间距,提高了试样的疲劳寿命。     

2B25-T351压印强化残余应力场的有限元模拟与实验

运用有限元软件ABAQUS建立压印强化残余应力场的三维有限元模型,模拟计算压印强化过程中2B25-T351铝合金构件的三维残余应力场分布,模拟结果表明,压印痕底部残余应力沿厚度方向呈梯度分布,与表面距离越远,压应力水平越小。孔周围的残余应力分布比较集中,压印痕端头附近,孔边为相对均匀的残余压应力,其他位置为自平衡的残余拉应力;使用X射线衍射应力分析技术测量实际试样的残余应力,结果表明,实验测量值与有限元模拟值吻合较好;对压印强化前后试样进行疲劳性能试验,结果表明,压印强化在试件表面引入残余压应力,可降低裂纹萌生的几率及裂纹扩展的速率,压印强化后材料的疲劳寿命提高了近1.5倍。     

光整滚光和开缝衬套挤压孔结构 表面完整性及疲劳行为研究

目的 澄清光整滚光和开缝衬套挤压孔结构疲劳行为和强化机制的区别。方法 采用传统钻-铰、光整滚光、开缝衬套挤压等三种不同工艺,制备TA15钛合金含ø8.75中心圆孔疲劳试样,通过恒幅拉-拉对比疲劳试验和疲劳数据统计分析方法,评价不同工艺制备孔结构的抗疲劳性能。采用体式显微镜观察孔端和孔壁形貌,用触针式表面粗糙度轮廓仪测试孔壁表面粗糙度,用X射线衍射应力测定法测定孔端表面残余应力,用透射电子显微镜观察孔壁材料微观结构,用显微硬度计测定孔壁显微硬度点阵等技术和方法,分析了不同工艺制备孔结构表面完整性。通过扫描电子显微镜标定疲劳断口辉纹平均间距与裂纹长度,用数码长焦显微镜标定孔端表面裂纹长度与疲劳循环周次的关系,并定量分析了不同工艺制备的孔结构疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率。结果 光整滚光和挤压强化分别提高连接孔中值疲劳寿命63%和317%。光整滚光可降低孔壁表面粗糙度Ra至0.52 μm,但改变孔壁附近残余应力状态能力有限,且会在孔端形成尖锐的材料凸瘤;挤压强化后,孔壁表面粗糙度Ra为0.73 μm,在孔壁引入4 mm深、峰值达-500 MPa的残余压应力区,并大幅提高孔壁材料位错密度,且孔端无材料凸瘤产生。结论 光整滚光提高孔结构疲劳寿命的主要机制是,通过降低孔壁表面粗糙度延长裂纹萌生寿命。挤压强化主要机制是,通过引入大深度、高幅值的残余压应力和改善材料微观结构延长裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。因此,挤压强化优于光整滚光技术。考虑到实际机械结构中多为叠层特征孔结构,挤压强化因为不会在孔端遗留材料凸瘤,更有利于保证夹层间隙安装要求。     

300M超高强度钢孔挤压强化残余应力场的三维模拟分析

利用ANSYS有限元软件模拟计算了300M超高强度钢构件的孔挤压强化残余应力,建立了材料不同厚度构件的孔挤压残余应力场三维有限元模型,分析研究了构件厚度对残余应力场的影响,确定了最大残余压应力出现的位置,比较了孔挤压入口、中部和出口处残余应力场的变化情况。结果表明,残余压应力沿孔壁厚度方向的分布是不均匀的,入口处残余压应力最小,出口处次之,而中部的残余压应力最大。     

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径ø4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。     

铝合金紧固孔复合强化工艺研究

目的研究激光喷丸-冷挤压复合强化工艺对7050铝合金紧固孔疲劳源、疲劳寿命的影响。方法利用ABAQUS软件进行复合强化工艺的有限元仿真,并在强化后施加循环载荷获得残余应力数据,然后在应力水平为195 MPa、应力比为0.1的条件下进行疲劳实验,并把仿真和疲劳实验的结果与激光喷丸、冷挤压进行对比。结果复合强化工艺能同时对表面和孔壁进行强化,复合强化工艺比激光喷丸表面和孔壁的残余压应力大,循环载荷下两者残余应力的差异减小。冷挤压工艺表面全部是拉应力,循环载荷下挤出面孔角附近的残余应力由-928 MPa变为300 MPa。未处理紧固孔的疲劳源位于孔角处,激光冲击强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,冷挤压紧固孔的疲劳源位于挤出面孔角附近,复合强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,复合强化紧固孔的疲劳裂纹扩展区面积最大。未处理、激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命分别为65 918、165 117、114494、225 209。结论与未处理的紧固孔的疲劳寿命相比,激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命都有所增加,复合强化的紧固孔的疲劳寿命最大,复合强化能够进一步提高紧固孔的疲劳寿命。激光喷丸和复合强化诱导的残余压应力层能够抑制疲劳裂纹萌生于表面,而冷挤压工艺则不能。     

超声振动辅助铆接精确成形

采用超声振动辅助技术,利用万能材料试验机分别对45钢、6063铝合金和T2铜3种板材进行铆接实验。在不同条件下,对铆接过程中的压铆力、剪切强度、相对干涉量以及6063铝合金铆钉的材料流动进行分析,研究了超声振动对铆接工艺中铆钉的力学性能、变形行为以及铆接质量的影响。结果表明:施加超声振动时,随振幅增大,压铆载荷逐渐降低,不同板材的压铆力的降幅基本相等;剪切强度得到了提升,最大增幅为10.47%。在超声振动的表面效应和软化作用下,接触面之间的摩擦作用得到改善,难变形区面积减小了51.08%,钉杆的变形尺寸更加均匀。超声振动可降低铆接结构的相对干涉量系数,尺寸均匀度的改善有利于延长铆接结构的疲劳寿命。     

拉-拉疲劳载荷对孔壁强度的影响

在疲劳断裂的中心圆孔试样孔壁取样进行显微硬度与残余应力的测试,结合有限元模拟结果对测试数据进行分析,从孔壁强度变化的角度研究孔零件在拉-拉载荷作用下发生疲劳断裂的原因。结果表明:疲劳断裂中心圆孔试样孔壁出现显微硬度梯度,长度方向孔壁表面获得最大硬度,宽度方向孔壁亚表层获得最大硬度,说明孔壁不同部位经受循环塑性应力影响程度不同,宽度方向孔壁发生应变硬化后循环软化成为薄弱区域;孔壁不同部位获得不同的切向残余应力场分布,长度方向孔壁表面获得最大残余压应力,宽度方向孔壁亚表层获得最大残余压应力,应力集中效应最强的宽度方向孔壁表面成为薄弱区域。     

基于ABAQUS的斜面铆接变形的模拟分析

铆接技术被广泛应用于飞机生产制造过程,而在铆接过程中铆钉和铆接件的变形会严重影响铆接质量,从而影响产品的安全性能和疲劳寿命。针对楔形钛合金结构的铆接,用有限元软件ABAQUS模拟斜面压铆的动态过程,将斜面压铆变形过程分为4个阶段,分析了铆钉和铆接件在压铆过程中的受力和变形情况。该模拟分析为实际的斜面铆接工艺和后续研究过程提供了有效的指导。     

半空心铆钉自冲铆接工艺过程的数值模拟

采用DEFORM-2D软件对半空心铆钉自冲铆接工艺过程进行数值模拟,分析了铆接成形过程、应力应变和行程载荷变化趋势.采用观察铆接截面形状和行程-载荷曲线的方法,分析了凹模凸台高度和铆钉材料对铆接接头质量的影响.结果表明,在一定范围内增加凹模凸台高度,能提高铆接接头的自锁性能;适当硬度的铆钉有利于形成具有良好的力学性能的铆接接头.     

铝钢点焊铆接复合连接技术

提出了一种点焊与铆接复合进行铝钢连接的技术,即在待焊试样区域预制工艺孔,将铆钉铆入孔中,利用铆接力实现试样的预连接.然后使用点焊机在铆接位置进行点焊,实现铆接与点焊的复合连接,称为"点铆焊".文中分析了该方法的力学性能、微观组织、断裂模式,并同纯点焊与纯铆接进行了比较.结果表明,点铆焊的抗拉强度比纯点焊提高了23.8%,比纯铆接提高了28.7%,失效前吸收功比纯点焊提高211%,比纯铆接提高67%.虽然在点铆焊过程中也会产生脆性金属间化合物,但这些区域并不是主要的承载部位,点铆焊为塑性断裂模式.     

碳纤维-铝合金电磁铆接与准静态压铆对比

为了探究电磁铆接技术在碳纤维复合材料上的可行性,采用碳纤维-铝合金结构为研究对象。探究了碳纤维-铝合金电磁铆接接头的干涉量及剪切、拉脱性能,并与传统准静态压铆技术进行了对比。结果表明:无论是Φ4 mm铆钉,还是Φ6 mm铆钉,电磁铆接结构相对干涉量不仅均匀性更好,而且平均值更高,分别从4.96%提升到5.20%,6.85%提升到7.85%;电磁铆接接头剪切性能有较大提高,对于Φ4 mm铆钉和Φ6 mm铆钉,电磁铆接最大剪切力相比准静态压铆分别提高了19.7%和5.2%;电磁铆接接头拉脱性能有较小提高,对于Φ4 mm铆钉和Φ6 mm铆钉,电磁铆接最大拉脱力相比准静态压铆提高了3.9%和6.6%。结果说明电磁铆接技术更适合复合材料的连接。     

Feasibility of measuring residual stress profile in different self-pierce riveted joints

Abstract

The feasibility of measuring residual stresses in self-pierce riveted (SPR) joints by neutron diffraction technique was investigated. The main challenge involved dealing with the very small dimensions of SPR joints. Two different joints were examined: aluminium–steel and steel–steel. Even though small dimensions were involved, meaningful results were obtained. In the rivet head, tensile stress was observed for the steel–steel sample, whereas only compressive stress was observed for the aluminium–steel. The residual stress in the rivet head was higher at the centre and lower at the edge for both joints. Stresses in the sheet material beside the rivet wall and at a distance of three times the rivet radius from the rivet axis were not significant. For the SPR joints examined, the maximum value of residual stress was compressive and occurred in the rivet leg. The results are discussed according to the physical events involved during the process.     

冲击式自穿孔铆接方法及其接头性能

采用一种新型的应用火药作为驱动力的铆接方法和试验设备.对影响该方法的主要因素如模具尺寸、铆钉硬度进行分析.用该设备铆接铝合金板形成的接头的拉剪强度、十字抗拉强度以及疲劳强度与点焊形成的接头进行比较.试验证明这种新型的自穿孔铆接接头比点焊接头有更好的力学性能.