铁道车辆热铆连接的有限元分析

为了进一步研究铁道车辆热铆连接过程,基于热固耦合有限元理论建立铆钉和铆接件的有限元模型,模拟热铆连接过程,并结合试验进行验证。将热铆连接变形过程分为6个阶段,分析铆钉在热铆连接过程中的受力和变形情况,并通过改变铆钉钉杆长度和镦头高度,分析不同参数对热铆连接的影响,并得到最佳热铆参数。结果表明:铆钉的最大应力集中在铆钉镦头和与铆接件边缘相接触的中心部位,最大应变集中在镦头靠近铆接件边缘的位置;钉杆长度小于一定值时,铆钉的最大应力均发生在铆钉镦头顶部和镦头与铆接件边缘相接触的中心部位,超过该值时,应力集中位置只出现在铆钉镦头顶部;铆钉的最大应力随镦头高度总体呈下降趋势。     

基于ABAQUS的热辅助铆接分析

针对大直径、难成形合金材质铆钉在常规铆接过程中易出现变形开裂、干涉量不足等问题,提出将铆钉先"预热"处理,再进行铆接的连接方法。利用有限元分析软件,以7075铝合金材料建立有限元模型,模拟在不同温度、不同铆接速率下,铆钉的变形及受力情况。研究表明:随着热辅助铆接温度的升高,压铆力的减少幅度呈现先升高后降低的趋势,较小的压铆力能够减小钉杆开裂的风险;合适的铆接速率也能改善热辅助铆接的铆接品质,提高疲劳寿命。这种热辅助铆接技术对于今后铆钉铆接的技术工艺具有一定的参考价值。     

气门摇臂铆接压机的动态仿真方法研究

实际情况中气门摇臂铆接压机构件的变形可能会对铆接精度产生影响,多刚体模型难以满足分析精度要求,因此使用ANSYS和ADAMS建立刚-柔耦合虚拟样机模型对铆接压机构件进行动态分析。为解决ADAMS中难以对有物体发生塑性变形的系统进行仿真的问题,使用DEFORM-3D对压铆过程中铆钉变形进行仿真,以得到的"压模载荷-铆钉被压入长度"曲线作为刚度在ADAMS中建立非线性弹簧力代替铆钉。这种方法使仿真更接近实际,也使仿真结果对铆接压机的控制具有指导意义。     

电磁铆接过程数值模拟

电磁铆接是一种新型铆接工艺,铆接过程中材料的应变率高,铆钉材料的变形方式不同于普通铆接.通过电磁铆接过程的数值模拟分析影响铆接质量的因素,重点分析铆模几何构形对铆钉镦头成形的影响,为铆模优化设计提供了理论依据.数值模拟发现改变铆模倾角可以改变镦头区的应力分布,从而改变镦头区应变分布;减小铆模倾角可以减小最大剪应力,从而减小剪应变,防止镦头裂纹的产生.镦头金相组织表明数值模拟结果符合实际情况.     

碳纤维增强复合材料双面埋头压铆模拟分析

铆接技术作为一种不可拆卸的连接方式,在飞机装配过程中被广泛使用，同时碳纤维增强复合材料由于自身优异的力学性能也成为了航空工业中热门。在碳纤维增强复合材料铆接的过程中,铆钉的变形会对铆接的碳纤维增强复合材料造成损伤,从而影响铆接的质量以及其使用寿命。针对这一问题，使用有限元仿真软件ABAQUS创建复合材料双面埋头压铆三维模型，通过ABAQUS子程序接口编写VUMAT用户材料自定义程序，分别取Hashin准则和Puck准则的优势作为三维失效准则，选用合理的刚度退化方式对压铆后的复合材料的渐进损伤进行分析。通过ABAQUS对复合材料压铆过程模拟，得到铆钉在压铆过程中的成形规律和复合材料层合板的主要损伤失效形式为基体的压缩和拉伸、纤维压缩以及其损伤失效的扩展方向。     

拉铆工艺过程数值模拟及实验

采用DEFORM有限元分析软件对抽芯铆钉铆接工艺过程进行数值模拟。模拟铆接成形过程的3个阶段,进行应力应变及铆接损伤分析。实验结果与模拟结果吻合,最大应力应变主要集中在铆体尾部与钉芯头部相接触的区域。进行拉铆件的拉伸试验,得到拉伸载荷曲线,并分析了不同铆体长度和板料孔径对接头剪切强度的影响。     

碳纤维复合材料楔形件压铆过程的数值模拟

为了研究碳纤维复合材料楔形件压铆过程中铆钉的成型规律和复材损伤失效情况,在ABAQUS中建立了复合材料楔形件双面埋头压铆的分析模型。对ABAQUS进行二次开发,创建碳纤维复合材料的VUMAT用户子程序材料模型,材料模型采用三维Hashin失效准则作为累计损伤的判据,并使用合理的材料退化方式对损伤部位的刚度系数进行折减,来模拟复合材料的失效情况。通过有仿真模拟,得到了铆钉在压铆过程中的应力应变分布规律和材料流动趋势,以及复合材料层合板的损伤类型和损伤区域,为复合材料楔形结构铆接工艺的设计提供了一种参考依据。     

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。     

飞机V形结构复合材料双面埋头铆钉压铆技术

针对飞机常见V形结构复合材料双面埋头铆钉压铆问题，提出一种变厚度非均匀万向压铆系统。首先进行飞机V形结构复合材料装配建模分析与双面埋头钛铆钉斜面铆接技术分析。在此基础上进行变厚度非均匀万向压铆系统设计，并采用ANSYS软件进行仿真，最后设计相关试验进行验证。V形试板压铆试验结果表明，采用该系统后压铆前后经无损检测均未产生复合材料分层的情况。在飞机产品应用中压铆合格率能够达到90%以上，压铆成型质量稳定，产品表面质量高，操作简单便捷。     

锪窝及凹模对无头铆钉电磁铆接变形的影响

无头铆钉具有钉杆成形均匀、连接结构的疲劳寿命高和铆钉自身密封性能好等优点,广泛应用于航空航天领域。针对无头铆钉电磁铆接过程中的成形质量控制问题,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,运用宏观和微观分析手段,研究了锪窝结构及铆模型式对电磁铆接无头铆钉变形及干涉量的影响规律。研究结果表明:采用锪窝结构及凹型铆模能有效减小镦头45°方向剪切效应,使其变形均匀,无明显剪切带产生;相比于平头铆模,凹型铆模可有效限制材料的径向流动,更有利于提高钉杆干涉量;采用锪窝结构及凹型铆模时钉杆干涉量标准系数CV值较小,干涉量分布更加均匀。     

铝锂合金压铆壁板残余应力与疲劳性能分析

自动压铆是航空制造工业中的重要装配技术,压铆过程结束后铆孔周围产生的残余应力的分布形式与压铆结构的疲劳性能息息相关。本文使用ABAQUS软件建立了2060-T8铝锂合金壁板压铆过程的有限元模型,通过有限元分析发现了压铆后铆孔壁面上的残余应力由靠近镦头处到靠近钉头处逐渐降低的分布规律。随着压铆力由28.5kN增大至46kN,铆钉材料为2117-T4的压铆壁板孔壁平均残余应力提高33%,残余应力沿壁板厚度上分布的均匀度提升180%;铆钉材料为7050-T73的压铆壁板孔壁平均残余应力提高58%,残余应力沿壁板厚度上分布的均匀度提升184%。疲劳裂纹萌生于铆接下板孔壁附近,随着压铆力由32.5kN增大至42kN,铆钉材料为2117-T4的压铆壁板疲劳寿命提升了31%~80%,铆钉材料为7050-T73的压铆壁板疲劳寿命提升6%~161%。相比于铆钉材料为7050-T73的压铆壁板,相同工艺条件下铆钉材料为2117-T4的压铆壁板疲劳寿命提升12%~44%。     

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.     

基于有限元分析的铆螺母铆接厚度影响研究

以某新型奥氏体不锈钢铆螺母为研究对象,基于ABAQUS、SolidWorks软件建立铆螺母铆接过程有限元仿真模型,结合有限元分析与试验研究,探究夹层厚度对铆接镦头形貌、铆螺母拉脱力、铆接连接结构拉伸性能的影响规律,分析夹层厚度对铆螺母铆接变形及铆接结构力学性能的影响机制。有限元仿真结果与试验结果一致,随夹层厚度增加,最大拔出力先增大后减小。研究结果显示：该型号铆螺母在夹层厚度为3.5 mm时,铆接结构轴向拉脱力最大,且整体连接结构拉伸性能最好。     

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.     

Numerical modeling of self-pierce riveting—From riveting process modeling down to structural analysis

Self-pierce riveting (SPR) is becoming increasingly used in the automotive industry as a way to join materials of different nature. In this paper we focus on the numerical modeling of the SPR process and to the final assembly mechanical strength. The simulation of such a joining process requires contact between deformable bodies, plastic deformation, damage and fracture. The Forge2005^® finite element software enables to model large deformation of elastic–plastic materials for 2D and 3D configurations. A Lemaitre coupled damage model has been implemented to deal with damage during the process and fracture is modeled using the “kill element” technique. After a 2D simulation of the riveting process, it is possible to export the mechanical fields onto a 3D mesh and then to perform a 3D shearing test on the riveted structure. We can check the influence of the transfer of important mechanical fields, such as residual stresses or damage, on the final mechanical strength of the riveted specimen. The mechanical history of the rivet/sheet assembly undergone during the riveting process plays a significant role in the numerical prediction of the final strength of the assembly.     

电磁铆接试样质量分析

采用试验方法,通过电磁铆接和气动铆接方式,对铆接试样从铆钉宏观变形和微观连接方面进行质量对比分析。结果表明,与气动铆接相比,电磁铆接能一次成形,铆接试样钉杆变形均匀,波动度小,铆接质量稳定,不易出现钉头被铆歪、开裂等现象。在铆钉成形钉头与铝合金板连接处,电磁铆接铆钉变形较气动铆接剧烈。在铆钉钉杆与铝合金板连接处,电磁铆接试样铆钉与铝合金板连接的紧密程度要好于气动铆接。在铆钉钉杆与复合材料连接处,电磁铆接铆钉对复合材料的挤压程度要小于气动铆接,未出现复合材料分层和开裂。     

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.