• ●雙面沉頭鉚釘?shù)墓ぷ髟?/a>
• ●什么是開(kāi)口型沉頭鉚釘？
• ●連接板厚度對(duì)沉頭鉚釘連接強(qiáng)度的影響分析

什么是開(kāi)口型沉頭鉚釘？

開(kāi)口型沉頭鉚釘是一種高強(qiáng)度鉚接連接緊固件，有高強(qiáng)度、高光潔度、鉚接表面光亮持久、沒(méi)有銹蝕點(diǎn)、鉚接面穩(wěn)定、可靠、鉚接表面是平面等特點(diǎn)。


開(kāi)口型沉頭鉚釘
開(kāi)口型沉頭鉚釘適應(yīng)廣泛，適用于各種材質(zhì)的板材之間的緊固。規(guī)格品種多，多材質(zhì)、多孔徑、多長(zhǎng)度、多表面處理方式、可選品種多，使用方便，鉚接工具使用簡(jiǎn)單，安裝效率高。廣泛用于建筑、汽車(chē)、船舶、飛機(jī)、機(jī)器、電器、家具等產(chǎn)品上。
開(kāi)口型沉頭鉚釘優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)口型沉頭鉚釘是在鉚接中，利用自身形變或過(guò)盈連接被鉚接的零件。適應(yīng)不同材質(zhì)之間的緊固連接，開(kāi)口型沉頭鉚釘適應(yīng)不需要拆卸的場(chǎng)合，可在工件的單面使用，工具簡(jiǎn)單，安裝效率高。

連接板厚度對(duì)沉頭鉚釘連接強(qiáng)度的影響分析

鉚接是飛機(jī)機(jī)體制造的傳統(tǒng)工藝，也是目前機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要連接形式。它具有工藝簡(jiǎn)單、連接牢固可靠、便于檢查、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
常用的鉚釘有平錐頭、半圓 頭、扁圓頭和沉頭等形式。沉頭鉚釘用于零部件需要平滑的地方，不允許鉚釘凸出表面，如機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等蒙皮表面。
沉頭鉚釘也大量應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮對(duì)接結(jié)構(gòu)中，一般選用多排鉚釘搭接或?qū)拥男问竭M(jìn)行連接。
如飛機(jī)典型的蒙皮對(duì)接結(jié)構(gòu)為雙排沉頭鉚釘框上對(duì)接形式（見(jiàn)圖1）。
一般計(jì)算該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷時(shí)，認(rèn)為連接蒙皮與框緣的雙排鉚釘僅通過(guò)受剪傳遞蒙皮載荷，并且均勻受剪，即設(shè)計(jì)載荷為雙排鉚釘單剪許用值之和。
而試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，連接蒙皮（厚度為1.5mm）對(duì)接處的沉頭鉚釘（直徑為 5mm）較早發(fā)生破壞，破壞載荷為設(shè)計(jì)載荷的 93.5%，試驗(yàn)件破壞形式如圖2所示。

圖1 飛機(jī)典型蒙皮對(duì)接形式

圖2 蒙皮對(duì)接試驗(yàn)件破壞形式圖
從傳載角度分析，理想情況下蒙皮對(duì)接處鉚釘僅承受面內(nèi)剪切載荷。而實(shí)際受載過(guò)程中，蒙皮對(duì)接處的鉚釘或鉚釘孔在承受較大載荷后均會(huì)產(chǎn)生不同程度的塑性變形。
而當(dāng)蒙皮厚度較薄時(shí)，锪窩對(duì)鉚釘孔削弱較大，鉚釘孔的擠壓面積較小，導(dǎo)致鉚釘孔變形較大（見(jiàn)圖2）。
較大的變形使鉚釘軸線發(fā)生傾斜，從而使鉚釘沿軸線方向可能產(chǎn)生一部分拉伸載荷。若鉚釘同時(shí)承受拉伸和剪切復(fù)合載荷，可能會(huì)對(duì)其連接強(qiáng)度有所影響。
因此，參考文獻(xiàn)[5]中提到沉頭鉚釘最大锪窩深度應(yīng)確保釘桿擠壓部分的厚度不小于0.254mm，且不小于沉頭面被連接件厚度的1/3。若孔的擠壓面積減少，鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度可能會(huì)有所降低。
以上分析定性地說(shuō)明了鉚釘連接強(qiáng)度可能會(huì)受到連接板厚度的影響，但缺乏定量的數(shù)據(jù)分析以及板厚對(duì)鉚釘連接強(qiáng)度的影響程度。
因鉚釘從受剪到破壞的過(guò)程涉及復(fù)雜的彈塑性、接觸及大變形等非線性問(wèn)題，一般的理論方法無(wú)法準(zhǔn)確分析其受載過(guò)程。
因此采用非線性有限元方法對(duì)鉚釘?shù)氖茌d過(guò)程進(jìn)行模擬，在模型中綜合考慮彈塑性、接觸以及幾何大變形等非線性因素，盡可能真實(shí)地模擬鉚釘?shù)氖芰顟B(tài)。
分析時(shí)一方面考慮锪窩對(duì)鉚釘孔剛度的影響，將沉頭鉚釘與平錐頭鉚釘?shù)氖茌d、變形情況進(jìn)行對(duì)比；另一方面考慮板厚對(duì)沉頭鉚釘受載的影響，對(duì)比連接板厚度不同時(shí)沉頭鉚釘?shù)氖茌d、變形情況，最后進(jìn)行強(qiáng)度分析。
有限元模型簡(jiǎn)介
根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中典型的沉頭鉚釘及蒙皮設(shè)計(jì)參數(shù)，并考慮與典型的平錐頭鉚釘或與較厚蒙皮連接的沉頭鉚釘進(jìn)行對(duì)比，采用ABAQUS有限元分析軟件建立單釘平板搭接結(jié)構(gòu)有限元模型三套，模型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。
沉頭鉚釘連接有限元模型如圖3所示，平錐頭鉚釘連接有限元模型如圖4所示。鉚釘直徑為5mm，沉頭深度為1.08mm，單剪許用值為4805N。在模型材料卡片中增加彈塑性本構(gòu)關(guān)系，鉚釘材料為2A10鋁合金，蒙皮材料為2A12鋁合金，材料具體性能參數(shù)見(jiàn)表2

表1 有限元模型參數(shù)

表2 材料性能

圖3 沉頭鉚釘連接有限元模型 圖4 平錐頭鉚釘連接有限元模型
對(duì)平板搭接結(jié)構(gòu)施加單拉載荷，下板左端固支，上板右端施加4805N拉伸載荷，同時(shí)限制板的面外變形以消除偏心影響。
同時(shí)分別在釘柱面與釘孔、釘頭與蒙皮及蒙皮相互之間建立了接觸關(guān)系。各釘?shù)募羟休d荷或拉伸載荷可通過(guò)釘柱面或釘頭的接觸力在相應(yīng)方向上的投影來(lái)得到。
考慮結(jié)構(gòu)在加載后期變形較大，在模型中設(shè)置幾何非線性開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)。
有限元分析結(jié)果
根據(jù)有限元分析結(jié)果，三套有限元模型等效應(yīng)力云圖如圖5所示，等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。
根據(jù)圖5及圖6，模型1鉚釘受載后應(yīng)力集中區(qū)域在鉚釘?shù)某令^附近，等效塑性應(yīng)變?yōu)?.316，模型2和模型3鉚釘受載后應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)獒敿羟忻娓浇?，等效塑性?yīng)變分別為0.268和0.225，可見(jiàn)模型1的沉頭鉚釘會(huì)最早發(fā)生破壞。

圖5 等效應(yīng)力分析結(jié)果

圖6 等效塑性應(yīng)變分析結(jié)果
圖7為三種模型鉚釘承受的剪切載荷隨施加載荷增加時(shí)的對(duì)比結(jié)果，圖8為三種模型鉚釘承受的拉伸載荷隨施加載荷增加時(shí)的對(duì)比結(jié)果，圖中載荷因數(shù)為模型當(dāng)前施加載荷與最大施加載荷之比。
可見(jiàn)三種模型鉚釘承受的剪切載荷相當(dāng)，且基本呈線性增加（蒙皮的一部分載荷由搭接區(qū)域的摩擦傳遞）。
三種模型在低載時(shí)鉚釘?shù)睦燧d荷基本相當(dāng)，載荷增大后，由于1.5mm板的沉頭孔剛度較低、變形較大，鉚釘軸線發(fā)生明顯傾斜（見(jiàn)圖5、圖6），導(dǎo)致沉頭鉚釘受拉變嚴(yán)重，拉伸載荷顯著高于其他模型。

圖7 鉚釘剪切載荷分析結(jié)果

圖8 鉚釘拉伸載荷分析結(jié)果
鉚釘強(qiáng)度分析
根據(jù)有限元分析結(jié)果，鉚釘不僅受剪而且受拉，需要對(duì)其進(jìn)行拉剪復(fù)合強(qiáng)度分析。拉剪復(fù)合相關(guān)方程為：

（1）
安全裕度M.S.計(jì)算公式為：

（2）

（3）

（4）
式中：FT為釘拉伸載荷；[ FT ]為釘拉伸許用載荷；FS為釘剪切載荷；[ FS ]為釘剪切許用載荷。
對(duì)拉剪復(fù)合公式進(jìn)行分析，圖9為RS與RT在拉剪復(fù)合裕度為0時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，可見(jiàn)隨著鉚釘拉伸載荷的增大，對(duì)應(yīng)的極限剪切載荷會(huì)降低，即鉚釘受拉后會(huì)降低鉚釘搭接結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖9 RS—RT關(guān)系圖
平錐頭鉚釘?shù)睦煸S用載荷為 2449N，沉頭鉚釘?shù)睦煸S用載荷為 1837N[6]；二者的剪切許用載荷均為 4805N。
根據(jù)圖7、圖8并結(jié)合拉剪復(fù)合計(jì)算公式可得拉剪復(fù)合裕度與載荷因數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 10 所示，可知當(dāng)沉頭鉚釘（1.5mm 板厚）拉剪復(fù)合裕度為 0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的載荷因數(shù)約為0.932；
沉頭鉚釘（2.0mm板厚）拉剪復(fù)合裕度為0時(shí)，載荷因數(shù)約為0.951；凸頭鉚釘（1.5mm板厚）拉剪復(fù)合裕度為0時(shí)，載荷因數(shù)約為0.997?？梢?jiàn)連接板厚度對(duì)沉頭鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度影響較明顯，對(duì)平錐頭鉚釘影響不明顯。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，沉頭鉚釘斷裂的試驗(yàn)載荷為設(shè)計(jì)載荷的93.5%，強(qiáng)度分析結(jié)果約為93.2%。理論分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，說(shuō)明該理論分析方法可用于下一步研究。
連接板厚度影響分析
根據(jù)以上分析，沉頭鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度受連接板厚度影響較明顯，因此采用上述有限元及強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)其影響程度進(jìn)行分析。分析時(shí)采用多個(gè)典型的連接板厚度進(jìn)行研究，并擬合得到該沉頭鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度受連接板厚度影響的曲線如圖11所示。圖11中強(qiáng)度影響系數(shù)δ為：

（5）
式中：FD為設(shè)計(jì)破壞載荷；FR為有限元分析破壞載荷。

圖10 拉剪復(fù)合裕度與載荷因數(shù)的關(guān)系圖

圖11 沉頭鉚釘連接強(qiáng)度受連接板厚度影響趨勢(shì)圖
可見(jiàn)，板厚對(duì)連接強(qiáng)度的影響并非線性關(guān)系，板越薄影響越嚴(yán)重。
結(jié)束語(yǔ)
以上分析結(jié)果表明，鉚釘在承受剪力的同時(shí)也會(huì)承受拉力，使鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度有所降低。特別是對(duì)在較薄蒙皮上安裝的沉頭鉚釘，因锪窩對(duì)鉚釘孔削弱較大，釘孔受力時(shí)變形較大。
較大的變形使鉚釘軸線發(fā)生傾斜，導(dǎo)致其受拉更為嚴(yán)重，從而對(duì)其連接強(qiáng)度產(chǎn)生了顯著的影響。隨著板厚的降低，這種影響會(huì)變得更嚴(yán)重。
而連接板的厚度對(duì)平錐頭鉚釘?shù)倪B接強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。因此，針對(duì)在較薄板上安裝沉頭鉚釘時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)使用安全，應(yīng)考慮鉚釘因受拉對(duì)其連接強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。