（航空宇航制造工程专业论文）电磁铆接工艺研究.pdf

摘要 摘 要 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。本文通过电 磁铆接过程的数值模拟分析了 影响铆接质量 的因素，重点分析了铆模几何构形对铆钉嫩头成形的影响，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嫩头区的应力分布，从而改变 墩头区应变分布;减小铆模倾角可以减小最大剪应力，从而减小剪应变，防止墩 头裂纹的产生。徽头金相组织表明数值模拟结果符合实际情况。 本文对1 5 到5 5 “ 共9 种倾角的铆模使用l s - d y n a 软件包进行了有限元数值模 拟， 通过数值模拟得出了 铆模倾角与铆钉徽头成形质量间的关系，以 及铆模倾角 与铆钉钉杆和铆接试件之间的干涉质量的关系。从理论上分析了减小铆模倾角可 以 减小徽头区最大剪应力， 以及减小铆模倾角可以增大钉杆和铆钉孔之间的压力。 最后通过金相分析验证了数值模拟结果的准确性。 关键词:电磁铆接有限元法数值模拟铆模裂纹 a bs t 凡八 c t abs tract e l e c t r o m a g n e t i c r i v e t i n g i s a n e w t y p e o f r i v e t i n g p r o c e s s . i n t h e p r o c e s s , t h e s t r a i n r a t e o f m e t a l m a t e r i a l i s h ig h a n d t h e m o d e o f t h e d e f o r m a t i o n o f r i v e t m a t e r i a l i s d i ff e r e n t f r o m t h a t o f c o n v e n t i o n a l r i v e t i n g m e t h o d s . t h e p u r p o s e o f t h e w o r k i s t o a n a l y z e t h e f a c t o r s w h i c h m a k e e f f e c t t o t h e r i v e t i n g q u a l i t y , in p a rt i c u l a r , t o a n a l y z e t h e r e l a t i o n b e t w e e n g e o m e t r i c a l f o r m o f r i v e t in g d i e a n d t h e d e f o r m a t i o n o f r i v e t t a i l , a n d p r o v i d e s t h e t h e o r y o f o p t i m i z i n g d e s i g n o f r i v e t i n g d i e . i t i s f o u n d t h a t t h e a n g l e o f r i v e t i n g d i e a f f e c t s o b v i o u s ly s h e a r s t r e s s a n d s h e a r s tr a in o f r i v e t t a i l ; a n d d e c r e a s in g t h e a n g l e c a n i m p r o v e t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e s t r a i n , a n d p r e v e n t r i v e t i n g c r a c k s i n r i v e t t a i l . t h e a u t h o r o f t h i s p a p e r u s e s l s - d y n a p r o g r a m p a c k a g e s t o s i m u l a t e n i n e k in d s o f r i v e t d i e . a n d t h e a n g l e o f t h e d i e i s v a r i e d fr o m 1 5 t o 5 5 d e g r e e s . t h r o u g h t h e d a t a o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s , s o m e r e l a t i o n s b e tw e e n t h e a n g l e o f t h e d i e a n d t h e q u a l i t y o f t h e f o r m e d h e a d o f r i v e t , a n d b e t w e e n t h e a n g l e o f t h e d i e a n d q u a l i t y o f t h e r i v e t i n g a r e f o u n d o u t . a n d th e a u t h o r a l s o a n a l y z e s t h e m e c h a n i s m s b e h i n d s u c h k in d s o f r e l a t i o n s t h e o r e t i c a l l y . e x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t t h e r e s u l t s o f t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a r e p r o p e r . k e y w o r d s : e l e c t r o m a g n e t i c r i v e t i n g , f i n i t e e l e m e n t me t h o d , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , r i v e t i n g d i e , c r a c k 西北工业大学硕 l 学位论文 绪论 第一章 绪论 1 . 1国内外电磁铆接技术发展概况 电 磁铆接是一种新的工艺方法， 目前已 经广泛应用于 航空制造业d -3 1 。 电 磁铆 接技术在铆接难成形材料及复合材料结构方面有传统铆接方法无法取代的优势， 已 在a 3 4 0 . a 3 8 0 及 波音 系 列 飞 机上 得 到 应 用 4 ,5 1电 磁 成形 是 利 用 金属 在 脉 冲 磁 场中受力而使其变形的一种高能高速成形方法， 是5 0 年代末发展起来的一种饭金 成形工艺方法。自1 9 5 8 年出 现第一台电 磁成形设备以来，电磁成形工艺在美国、 前苏联、日 本、西欧等发达国家和地区的 航空、 宇航和汽车等工业部门得到了 广 泛的应用。1 9 8 0 年美国已有4 0 0 多台电磁成形设备， 前苏联也有2 0 多台。 美国、 俄罗斯的电磁成形设备均已经系列化。 经过5 0 多年的发展， 电磁成形无论是在理 论研究方面，还是在应用方面都取得了重大发展。在理论研究方面，人们对放电 过程、 磁场分布、毛坯在脉冲电 场力作用下的变形过程都进行了较深入的研究， 取得了 不少成果。 在应用方面， 电 磁成形工艺已能实现零件的成形、 装配、 冲裁、 精冲和焊接等工序。 国内6 0 年代中期，对电磁成形工艺进行过初步研究，后来研究工作中断了。 从8 0 年代中期开始， 一些高校和研究所陆续开始了 这方面的研究， 虽然在电 磁成 形理论方面的研究起步较晚，但在应用方面己 研究出了一些试验性的电 磁铆接设 备， 如机械工业部五十九所的m f - 1 6 k电 磁成形机、哈尔滨工业大学研制的电磁 成 形 机、 西 北 工 业大 学的电 磁 铆 接设 备 等， 并己 成 形出 一 些 合 格的 产品 零 件 6 .8 1 电磁铆接是电磁成形方法的一种应用， 但与一般饭金电磁成形又不完全相同， 成形过程更为复杂。电磁铆接不是利用电磁力直接成形，而是在电磁成形设备中 增加了一个初级线圈和次级线圈和电磁放大器( 调制器) 。 放电时初级线圈和次级 线圈 之间 产生强的涡流磁场， 并产生强的冲击力， 如图1 . 1 。 铆接时冲击力的加载 速率极高，并以 应力波的形式传播，因而也叫 应力波铆接19 1 。 应力波在放大器中 西北工业大学硕 l 学位论文 绪论 第一章 绪论 1 . 1国内外电磁铆接技术发展概况 电 磁铆接是一种新的工艺方法， 目前已 经广泛应用于 航空制造业d -3 1 。 电 磁铆 接技术在铆接难成形材料及复合材料结构方面有传统铆接方法无法取代的优势， 已 在a 3 4 0 . a 3 8 0 及 波音 系 列 飞 机上 得 到 应 用 4 ,5 1电 磁 成形 是 利 用 金属 在 脉 冲 磁 场中受力而使其变形的一种高能高速成形方法， 是5 0 年代末发展起来的一种饭金 成形工艺方法。自1 9 5 8 年出 现第一台电 磁成形设备以来，电磁成形工艺在美国、 前苏联、日 本、西欧等发达国家和地区的 航空、 宇航和汽车等工业部门得到了 广 泛的应用。1 9 8 0 年美国已有4 0 0 多台电磁成形设备， 前苏联也有2 0 多台。 美国、 俄罗斯的电磁成形设备均已经系列化。 经过5 0 多年的发展， 电磁成形无论是在理 论研究方面，还是在应用方面都取得了重大发展。在理论研究方面，人们对放电 过程、 磁场分布、毛坯在脉冲电 场力作用下的变形过程都进行了较深入的研究， 取得了 不少成果。 在应用方面， 电 磁成形工艺已能实现零件的成形、 装配、 冲裁、 精冲和焊接等工序。 国内6 0 年代中期，对电磁成形工艺进行过初步研究，后来研究工作中断了。 从8 0 年代中期开始， 一些高校和研究所陆续开始了 这方面的研究， 虽然在电 磁成 形理论方面的研究起步较晚，但在应用方面己 研究出了一些试验性的电 磁铆接设 备， 如机械工业部五十九所的m f - 1 6 k电 磁成形机、哈尔滨工业大学研制的电磁 成 形 机、 西 北 工 业大 学的电 磁 铆 接设 备 等， 并己 成 形出 一 些 合 格的 产品 零 件 6 .8 1 电磁铆接是电磁成形方法的一种应用， 但与一般饭金电磁成形又不完全相同， 成形过程更为复杂。电磁铆接不是利用电磁力直接成形，而是在电磁成形设备中 增加了一个初级线圈和次级线圈和电磁放大器( 调制器) 。 放电时初级线圈和次级 线圈 之间 产生强的涡流磁场， 并产生强的冲击力， 如图1 . 1 。 铆接时冲击力的加载 速率极高，并以 应力波的形式传播，因而也叫 应力波铆接19 1 。 应力波在放大器中 西北不业人学硕 卜 学位论文 绪论 传播并经过反射和折射，使铆钉在极短的时间内 ( 微秒级)完成塑性成形。与普 通铆接方法相比，电 磁铆接由 于加载速率高， 铆钉成形快， 钉杆膨胀均匀，因而 采用这一方法进行于涉配合铆接产生的干涉量均匀，接头疲劳寿命长。另外，电 磁铆接对一 些冷塑性较差，普通铆接方法难以 铆接的材料仍能成功地实 施 i o 图1 . 1电 磁铆接装置原理图 i 弹簧 2 橡胶垫 次 级线圈 4 初级线圈 5铆模 6铆钉 7顶铁 8调制器 9电 容 格鲁门宇航公司是世界上最早研究电磁铆接技术的公司，它们为研究 f 一1 4 在7 0年代专门研制了电磁铆接设备，成功解决了a 2 8 6 相当于我国g h 2 1 3 2 ) 及钦合金等干涉配合紧固 铆接大夹层钦合金结构所遇到的难题，取得了明显的技 术经济效益。7 0 年代中期到8 0 年代中期， 格鲁门宇航公司将电 磁铆接成形技术 的 应用范围不断扩大，申 请了多项专利，如 应力波制孔、 应力波安装干涉配合紧 固 件、 应力波焊接等。 接着又对电 磁铆接的质量进行了系统的 研究。 研究结果表 明，电 磁铆接提高接头疲劳寿命，在有预制裂纹的试件孔中，采用这种方法进行 干涉配合铆接能延缓疲劳裂纹的增长， 对于按照损伤容限准则设计的结构有明显 的节约重量的潜力。 但该公司没有将电磁铆接设备进一步发展。 波音公司在 7 0年代也发明了电磁铆接设备，使用双枪进行液密干涉配合铆 接，己纳入工艺说明书b a c -5 0 4 7 。在8 0 年代，波音公司曾将电磁铆枪装到自 动钻铆机上使用。 大约在1 9 9 4 年， 波音公司开始在新型7 3 7 飞机机身 上使用电磁 铆接技术。 西北工业大学硕 t 学位论文 绪论 洛克西德公司在 8 0年代初采用了格鲁门公司的电磁铆接设备铆接碳纤维复 合材料结构，代替价值昂贵的特种紧固 件。该公司采用电 磁铆接技术对复合材料 的干涉配合进行了 研究。结果表明，采用电磁铆接技术是既能防止安装损伤又能 取得干涉配合效益的有效途径。 麦道公司现在己 应用了 低电 压的电 磁铆接技术， 工作电 压一般低于5 0 0 v ， 生 产说明书d p s 3 . 6 7 - 2 7 详细说明了电磁铆接的操作规程。 麦道公司将电 磁铆接技术 主要用于铝合金和铝铿合金的冠装铆钉、1 2 0 0 埋头铆钉和平锥头铆钉。 g e m c o r 公司是生产自 动钻铆机的专业厂家，能生产多种型号的自 动钻铆机。 作为自 动钻铆机的配套技术，他们也在研究电磁铆接技术。 美国田 纳西州的e l e c t r o i m p a c t 公司是研究电 动工具的 专业化厂， 在8 0 年代 中期研制成功手提式电 磁铆接设备，8 0 年代末期研制成功低电压电磁铆接设备。 该公司现在已开始了计算机控制和低电压电磁自 动铆接机的工程化研究工作。该 机器是为英国宇航公司为自 动化生产空中客车系列运输机翼面而研制的， 重为5 0 吨， 可铆接1 2 .5 m m的铆钉，工作电压一般低于5 0 0 v 。该公司的这种产品的早期 型号从 1 9 9 0年起在 t e x t r o n飞机结构公司获得应用，价格为2 3 0万美金，用于 a 3 3 0 / 3 4 0 机翼壁板的制造。 美国电 磁铆接技术的发展经历了 三个阶段。 7 0 年代研制成功了固定式电 磁铆 接设备: 8 0 年代初期到中期， 研制了小型手提式电 磁铆接设备。 这一时期属于第 一阶段， 即高电 压电 磁铆接设备的研制， 工作电 压一般5 0 0 0 -8 0 0 0 v o 8 0 年代末 期到9 0 年代初期，采用了 低电压的电磁铆接技术，工作电 压一般低于6 0 0 v ，个 别也有1 2 0 0 v .属于第二阶段，即低电压电磁铆接阶段。现在，美国电 磁铆接技 术的 研究已 进入了 第三阶段的研究，即自 动化电 磁铆接阶段，已 开始进行了计算 机控制和低电压的电磁铆接设备的工程化研究。 俄国古比 雪夫航空工艺研究所也研制成功了 称为 磁脉冲铆接设备的电 磁铆接 设 备。 该设 备可以 铆接直径为0 4o l l m m 的 铝合金 铆钉， 功 率为5 0 0 0 伏安。 但没有明确说明可以铆接钦合金和高强度铆钉， 也不能铆接无头铆钉( 只有单枪) 。 3 r北t业大学硕 1 学位论文绪论 日本从8 0 年代以来， 在电磁成形方面投入大量的人力和财力， 取得了大量的 研究成果。在电磁成形工艺及理论研究方面发表了 许多文章，在充电设备和脉冲 线圈的制造方面也申请了许多专利。但到目前为止，还没有电磁铆接方面的报导 6 1 1 . 2电 磁铆接方法的特点 电 磁铆接成形时，材料的变形方式不同于准静态加载，因而对一些特殊的材 料的成形有着其它方法无法代替的优越性。 如铆接t b 2 - 1 铆钉时， 铆钉以绝热剪 切 变形 的 方 式实 现塑 性 变 形2 2 1 ， 能 够 顺 利 形成 徽 头; 而 准 静态 加载 时， 材 料以 均 匀滑移的方式实现塑性变形，因而很难铆接成功。电磁铆接是冲击距离为零的冲 击加载，并且属高速成形，因而和普通铆接相比 有许多优点。电磁铆接形成的千 涉量比 较均匀，能提高接头的疲劳寿命;对高强度难成形的材料仍能成功地进行 铆接， 对复合材料结构的铆接不会造成安装损伤。另外，当 铆钉孔间隙 较大或夹 层 厚 度 较 大 时 仍 能 实 现 干 涉 配 合 3 4 1 ， 这 样 采 用 干 涉 配 合 时 ， 就 不 需 要 对 孔 进 行 精 加工， 这将极大地提高生产效率阁 。 综上所述电 磁铆接有如下特点: 1 . 能够对高强度、难成形材料 ( 如钦合金) 铆钉铆接; 2 . 可以手工铆接大直径铆钉; 3 . 可以 用于复合材料结构的铆接; 4 ， 能够降低铆接噪音: 5 . 可以 提高铆接件的疲劳寿命。 1 . 3电 磁铆接工艺研究的基本问题 在电 磁铆接过程中，由 于其加载速率大， 铆钉的 应变率高， 容易导致成形后 铆 钉 头 部出 现剪 切区， 甚 至 剪 切 破 坏 n 。 产生 这 种 情 形的 原因 可 能 性 有多 种， 比 如不同铆接设备的选取( 包括高压电磁铆接设备和低压电 磁铆接设备) ， 铆模拔模 角度的选取，铆钉成形速率的大小，以及电磁铆接系统本身存在的问题，等等。 r北t业大学硕 1 学位论文绪论 日本从8 0 年代以来， 在电磁成形方面投入大量的人力和财力， 取得了大量的 研究成果。在电磁成形工艺及理论研究方面发表了 许多文章，在充电设备和脉冲 线圈的制造方面也申请了许多专利。但到目前为止，还没有电磁铆接方面的报导 6 1 1 . 2电 磁铆接方法的特点 电 磁铆接成形时，材料的变形方式不同于准静态加载，因而对一些特殊的材 料的成形有着其它方法无法代替的优越性。 如铆接t b 2 - 1 铆钉时， 铆钉以绝热剪 切 变形 的 方 式实 现塑 性 变 形2 2 1 ， 能 够 顺 利 形成 徽 头; 而 准 静态 加载 时， 材 料以 均 匀滑移的方式实现塑性变形，因而很难铆接成功。电磁铆接是冲击距离为零的冲 击加载，并且属高速成形，因而和普通铆接相比 有许多优点。电磁铆接形成的千 涉量比 较均匀，能提高接头的疲劳寿命;对高强度难成形的材料仍能成功地进行 铆接， 对复合材料结构的铆接不会造成安装损伤。另外，当 铆钉孔间隙 较大或夹 层 厚 度 较 大 时 仍 能 实 现 干 涉 配 合 3 4 1 ， 这 样 采 用 干 涉 配 合 时 ， 就 不 需 要 对 孔 进 行 精 加工， 这将极大地提高生产效率阁 。 综上所述电 磁铆接有如下特点: 1 . 能够对高强度、难成形材料 ( 如钦合金) 铆钉铆接; 2 . 可以手工铆接大直径铆钉; 3 . 可以 用于复合材料结构的铆接; 4 ， 能够降低铆接噪音: 5 . 可以 提高铆接件的疲劳寿命。 1 . 3电 磁铆接工艺研究的基本问题 在电 磁铆接过程中，由 于其加载速率大， 铆钉的 应变率高， 容易导致成形后 铆 钉 头 部出 现剪 切区， 甚 至 剪 切 破 坏 n 。 产生 这 种 情 形的 原因 可 能 性 有多 种， 比 如不同铆接设备的选取( 包括高压电磁铆接设备和低压电 磁铆接设备) ， 铆模拔模 角度的选取，铆钉成形速率的大小，以及电磁铆接系统本身存在的问题，等等。 r北t业大学硕 1 学位论文绪论 日本从8 0 年代以来， 在电磁成形方面投入大量的人力和财力， 取得了大量的 研究成果。在电磁成形工艺及理论研究方面发表了 许多文章，在充电设备和脉冲 线圈的制造方面也申请了许多专利。但到目前为止，还没有电磁铆接方面的报导 6 1 1 . 2电 磁铆接方法的特点 电 磁铆接成形时，材料的变形方式不同于准静态加载，因而对一些特殊的材 料的成形有着其它方法无法代替的优越性。 如铆接t b 2 - 1 铆钉时， 铆钉以绝热剪 切 变形 的 方 式实 现塑 性 变 形2 2 1 ， 能 够 顺 利 形成 徽 头; 而 准 静态 加载 时， 材 料以 均 匀滑移的方式实现塑性变形，因而很难铆接成功。电磁铆接是冲击距离为零的冲 击加载，并且属高速成形，因而和普通铆接相比 有许多优点。电磁铆接形成的千 涉量比 较均匀，能提高接头的疲劳寿命;对高强度难成形的材料仍能成功地进行 铆接， 对复合材料结构的铆接不会造成安装损伤。另外，当 铆钉孔间隙 较大或夹 层 厚 度 较 大 时 仍 能 实 现 干 涉 配 合 3 4 1 ， 这 样 采 用 干 涉 配 合 时 ， 就 不 需 要 对 孔 进 行 精 加工， 这将极大地提高生产效率阁 。 综上所述电 磁铆接有如下特点: 1 . 能够对高强度、难成形材料 ( 如钦合金) 铆钉铆接; 2 . 可以手工铆接大直径铆钉; 3 . 可以 用于复合材料结构的铆接; 4 ， 能够降低铆接噪音: 5 . 可以 提高铆接件的疲劳寿命。 1 . 3电 磁铆接工艺研究的基本问题 在电 磁铆接过程中，由 于其加载速率大， 铆钉的 应变率高， 容易导致成形后 铆 钉 头 部出 现剪 切区， 甚 至 剪 切 破 坏 n 。 产生 这 种 情 形的 原因 可 能 性 有多 种， 比 如不同铆接设备的选取( 包括高压电磁铆接设备和低压电 磁铆接设备) ， 铆模拔模 角度的选取，铆钉成形速率的大小，以及电磁铆接系统本身存在的问题，等等。 西北工业大学硕士学位论文绪论 本文所要解决的问题是探讨和分析不同的铆接加工工艺条件对铆钉成形过程的影 响，以及形成这种影响的物理机制，优化设计铆模。 在铆接过程中需要研究以下内容:铆钉钉杆的变形分布和形状、铆接件和孔 壁的变形、铆接力及应力分布，以及铆接变形过程所消耗的功。 1 . 4电磁铆接工艺研究的主要方法 1 . 4 . 1 解析计算法 在铆钉成形过程中， 位于铆接件孔中钉杆部分是封闭的墩粗方式，并同铆接 件一 起变形，而墩头处钉杆部分属于敞开的徽粗方式。因此，铆钉变形的应力和 应变状态复杂， 铆钉的体积变形分布也 很不均匀。 在塑性变形过程中，不 但铆钉 材料的组织和物理力学性能发生较大变化， 而且铆钉各个部分的强化程度也不同， 因而使分析工作变得更复杂。尽管根据一个物体的变形方式可建立足够数量的方 程式，并且在给定的边界条件下它们的应力应变函 数解原则上都可得到， 但是在 数学上困难非常大，一般不能 得出 有实用价值的 解。 现有方法 ( 塑性平衡近似方 法、材料阻力法、特征方法和变分法)中最可接受的实用计算方法是变分法。 这 种方法是寻求某一 个积分式有极值的函数。求极值的积分式可用变形能 ( 功 或 用和它成比 例的值来表达。 依照连续介质 ( 固 体)力学的能 量原理可得到相应的 变分式。也就是说，能量原理允许用变分计算方法直接求解，以 代替用平衡微分 方 程 求 积 分 的 方 法 12,13 1 . 4 . 2 试验分析法 这种方法是通过对特定材料条件和尺寸条件的铆钉进行铆接试验 条 件， 例如改 变充电电 压， 改 变铆接 速度， 采用不同 角 度的 铆 模等， 铆钉进行金相分析，从而研究铆钉在不同铆接工艺条件下的微观形变 改变工艺 对成形后的 区域晶粒 西北工业大学硕士学位论文绪论 本文所要解决的问题是探讨和分析不同的铆接加工工艺条件对铆钉成形过程的影 响，以及形成这种影响的物理机制，优化设计铆模。 在铆接过程中需要研究以下内容:铆钉钉杆的变形分布和形状、铆接件和孔 壁的变形、铆接力及应力分布，以及铆接变形过程所消耗的功。 1 . 4电磁铆接工艺研究的主要方法 1 . 4 . 1 解析计算法 在铆钉成形过程中， 位于铆接件孔中钉杆部分是封闭的墩粗方式，并同铆接 件一 起变形，而墩头处钉杆部分属于敞开的徽粗方式。因此，铆钉变形的应力和 应变状态复杂， 铆钉的体积变形分布也 很不均匀。 在塑性变形过程中，不 但铆钉 材料的组织和物理力学性能发生较大变化， 而且铆钉各个部分的强化程度也不同， 因而使分析工作变得更复杂。尽管根据一个物体的变形方式可建立足够数量的方 程式，并且在给定的边界条件下它们的应力应变函 数解原则上都可得到， 但是在 数学上困难非常大，一般不能 得出 有实用价值的 解。 现有方法 ( 塑性平衡近似方 法、材料阻力法、特征方法和变分法)中最可接受的实用计算方法是变分法。 这 种方法是寻求某一 个积分式有极值的函数。求极值的积分式可用变形能 ( 功 或 用和它成比 例的值来表达。 依照连续介质 ( 固 体)力学的能 量原理可得到相应的 变分式。也就是说，能量原理允许用变分计算方法直接求解，以 代替用平衡微分 方 程 求 积 分 的 方 法 12,13 1 . 4 . 2 试验分析法 这种方法是通过对特定材料条件和尺寸条件的铆钉进行铆接试验 条 件， 例如改 变充电电 压， 改 变铆接 速度， 采用不同 角 度的 铆 模等， 铆钉进行金相分析，从而研究铆钉在不同铆接工艺条件下的微观形变 改变工艺 对成形后的 区域晶粒 西北工业大学硕士学位论文绪论 本文所要解决的问题是探讨和分析不同的铆接加工工艺条件对铆钉成形过程的影 响，以及形成这种影响的物理机制，优化设计铆模。 在铆接过程中需要研究以下内容:铆钉钉杆的变形分布和形状、铆接件和孔 壁的变形、铆接力及应力分布，以及铆接变形过程所消耗的功。 1 . 4电磁铆接工艺研究的主要方法 1 . 4 . 1 解析计算法 在铆钉成形过程中， 位于铆接件孔中钉杆部分是封闭的墩粗方式，并同铆接 件一 起变形，而墩头处钉杆部分属于敞开的徽粗方式。因此，铆钉变形的应力和 应变状态复杂， 铆钉的体积变形分布也 很不均匀。 在塑性变形过程中，不 但铆钉 材料的组织和物理力学性能发生较大变化， 而且铆钉各个部分的强化程度也不同， 因而使分析工作变得更复杂。尽管根据一个物体的变形方式可建立足够数量的方 程式，并且在给定的边界条件下它们的应力应变函 数解原则上都可得到， 但是在 数学上困难非常大，一般不能 得出 有实用价值的 解。 现有方法 ( 塑性平衡近似方 法、材料阻力法、特征方法和变分法)中最可接受的实用计算方法是变分法。 这 种方法是寻求某一 个积分式有极值的函数。求极值的积分式可用变形能 ( 功 或 用和它成比 例的值来表达。 依照连续介质 ( 固 体)力学的能 量原理可得到相应的 变分式。也就是说，能量原理允许用变分计算方法直接求解，以 代替用平衡微分 方 程 求 积 分 的 方 法 12,13 1 . 4 . 2 试验分析法 这种方法是通过对特定材料条件和尺寸条件的铆钉进行铆接试验 条 件， 例如改 变充电电 压， 改 变铆接 速度， 采用不同 角 度的 铆 模等， 铆钉进行金相分析，从而研究铆钉在不同铆接工艺条件下的微观形变 改变工艺 对成形后的 区域晶粒 西北工业大学硕士 学位论文 的变化，从而获得铆钉在不同 铆接工艺条 件下的成形规律以提高铆接质量 绪论 1 . 4 . 3 数值模拟法 数值模拟法的思路是借助一些有限元分析软件建立电磁铆接过程的数值模 型。通过单轴拉伸、双向拉伸或动态应力一 应变试验得到材料的性能参数，输入 到有限元模型中，通过数值模拟分析影响铆钉成形过程的各种因素。 铆钉成形过程是一种金属嫩粗的过程， 但是在数值模拟的过程中如果只是简 单地简化为徽粗过程以设置边界条件， 那么结果可能会与实际的成形过程相差很 大， 与实验结果不会吻合。所以 应该对连接件在成形过程中对数值模拟边界条件 的影响加以考虑，但是连接件和铆钉之间的互相祸合，相互影响，其中的物理机 制会相当复杂，这是本论文将要重点解决的问题之一。 1 . 5本文研究的内容 本论文以电 磁铆接中的铆模为研究对象，使用有限 元分析软件包 l s - d y n a 在不同的 铆接工艺条件下对整个铆接过程模拟，以 期得出 铆接工艺和铆钉成形的 材料流向、力学性能、 千涉性能、 细观、微观组织性能之间的关系。 如果整个过 程能够得到预期的结果， 则对电磁铆接工艺的设计和实施无疑有很大的实用价值。 通过改变铆模倾角，对不同倾角的铆模进行电磁铆接过程的数值模拟， 分析 模拟结果数据，以期找出不同 倾角铆模对铆钉成形质量的影响。本文主要研究不 同 倾角铆模对铆钉镶头成形质量和铆接干涉质量的影响，并且试图从理论上分析 产生这种影响的原因。 然后通过试验验证数值模拟结果是否符合试验结果。 西北工业大学硕士 学位论文 的变化，从而获得铆钉在不同 铆接工艺条 件下的成形规律以提高铆接质量 绪论 1 . 4 . 3 数值模拟法 数值模拟法的思路是借助一些有限元分析软件建立电磁铆接过程的数值模 型。通过单轴拉伸、双向拉伸或动态应力一 应变试验得到材料的性能参数，输入 到有限元模型中，通过数值模拟分析影响铆钉成形过程的各种因素。 铆钉成形过程是一种金属嫩粗的过程， 但是在数值模拟的过程中如果只是简 单地简化为徽粗过程以设置边界条件， 那么结果可能会与实际的成形过程相差很 大， 与实验结果不会吻合。所以 应该对连接件在成形过程中对数值模拟边界条件 的影响加以考虑，但是连接件和铆钉之间的互相祸合，相互影响，其中的物理机 制会相当复杂，这是本论文将要重点解决的问题之一。 1 . 5本文研究的内容 本论文以电 磁铆接中的铆模为研究对象，使用有限 元分析软件包 l s - d y n a 在不同的 铆接工艺条件下对整个铆接过程模拟，以 期得出 铆接工艺和铆钉成形的 材料流向、力学性能、 千涉性能、 细观、微观组织性能之间的关系。 如果整个过 程能够得到预期的结果， 则对电磁铆接工艺的设计和实施无疑有很大的实用价值。 通过改变铆模倾角，对不同倾角的铆模进行电磁铆接过程的数值模拟， 分析 模拟结果数据，以期找出不同 倾角铆模对铆钉成形质量的影响。本文主要研究不 同 倾角铆模对铆钉镶头成形质量和铆接干涉质量的影响，并且试图从理论上分析 产生这种影响的原因。 然后通过试验验证数值模拟结果是否符合试验结果。 西北下业大学硕 卜 学位论文电磁铆接原理综述 第二章 电磁铆接原理综述 固体在外载的作用下，将产生相应的应力和变形。若载荷作用在材料上的时 间较长，则可以不考虑材料质点运动时的赓胜作用，即可从整体平衡的角度来研 究其应力和变形的产生和发展。例如压铆机铆接铆钉时，就属于上述这种情况， 人们称之为准静态加载。倘若加载速率或载荷变化率很高，则应考虑材料质点的 惯性作用。这就是说载荷在物体中引起的应力是以扰动的形式传播的。因此人们 将这 种以 波动形式在物体中 产生并 传播的 应力 称之为 应力波 1 5 - 1 8 。 应力 波的 传 播 和动力响应是塑性动力学的两类主要问题。前者主要研究局部扰动向未扰动区的 传播，它是将动力效应作为一种传播过程来研究;后者则忽略扰动传播的过程， 研究结构的变形与时间的关系。 2 . 1应力波在弹性介质中的传播 应力波现象与刚体动力学有着显著的不同。当外力作用在变形体上的时间较 为短促或者变化极快 ( 微秒的数量级)的时候，按普通静力平衡的计算，不足以 描述变形体内部的应力状况，这时就必须考虑应力波传播的效应。 在弹性介质中，当任何一个微元受到扰动离开其平衡位置，将会产生一个使 它回到平衡位置的弹性恢复力。 这个微元将在平衡位置附近振动起来，同时它的 振动必然会影响它周围位置的微元振动起来。这种依靠弹性的作用， 扰动从一处 逐渐传播开去形成了波动。这种波动是物体内一点的振动引起邻近点振动的过程 1 9 , 2 0 首先来研究一个圆杆上传播的 应力波。 在一根均匀截面的细长杆一端给予冲 击， 端面上的质点受到扰动， 这个扰动将以 应力波的形式沿杆的长度方向 传播。 波的传播造成能量的流动，这些能量不是靠质点的流动而是靠一点引起邻近一点 的振动来传递的。在图2 . 1 的细长圆杆中，一端给予冲击后，任取其中长度为c l c 的微元段，研究其运动过程。设杆的每个横截面仍能保持平面，在横截面上应力 西北下业大学硕 卜 学位论文电磁铆接原理综述 第二章 电磁铆接原理综述 固体在外载的作用下，将产生相应的应力和变形。若载荷作用在材料上的时 间较长，则可以不考虑材料质点运动时的赓胜作用，即可从整体平衡的角度来研 究其应力和变形的产生和发展。例如压铆机铆接铆钉时，就属于上述这种情况， 人们称之为准静态加载。倘若加载速率或载荷变化率很高，则应考虑材料质点的 惯性作用。这就是说载荷在物体中引起的应力是以扰动的形式传播的。因此人们 将这 种以 波动形式在物体中 产生并 传播的 应力 称之为 应力波 1 5 - 1 8 。 应力 波的 传 播 和动力响应是塑性动力学的两类主要问题。前者主要研究局部扰动向未扰动区的 传播，它是将动力效应作为一种传播过程来研究;后者则忽略扰动传播的过程， 研究结构的变形与时间的关系。 2 . 1应力波在弹性介质中的传播 应力波现象与刚体动力学有着显著的不同。当外力作用在变形体上的时间较 为短促或者变化极快 ( 微秒的数量级)的时候，按普通静力平衡的计算，不足以 描述变形体内部的应力状况，这时就必须考虑应力波传播的效应。 在弹性介质中，当任何一个微元受到扰动离开其平衡位置，将会产生一个使 它回到平衡位置的弹性恢复力。 这个微元将在平衡位置附近振动起来，同时它的 振动必然会影响它周围位置的微元振动起来。这种依靠弹性的作用， 扰动从一处 逐渐传播开去形成了波动。这种波动是物体内一点的振动引起邻近点振动的过程 1 9 , 2 0 首先来研究一个圆杆上传播的 应力波。 在一根均匀截面的细长杆一端给予冲 击， 端面上的质点受到扰动， 这个扰动将以 应力波的形式沿杆的长度方向 传播。 波的传播造成能量的流动，这些能量不是靠质点的流动而是靠一点引起邻近一点 的振动来传递的。在图2 . 1 的细长圆杆中，一端给予冲击后，任取其中长度为c l c 的微元段，研究其运动过程。设杆的每个横截面仍能保持平面，在横截面上应力 西北 业大学硕 卜 学位论文 电磁铆接原理综述 的均匀分布。 图2 . !细长 杆中的弹性波传播分析示意图 令杆的 横截面积为a ， 密度为p，在p截面上的 应力为a , ， 则在q截面上 的应力为 口 +a - , d , 微元的 体积为a d x ， 质量为p a d x , 微元内 各点 ( 平均) 位移为u 。 按牛顿第二定 律f = m a ，可写出下式 竺 d x 、 a 2 u 一 aa x = p a a x 二 二 i口 ( 2 . 1 ) 化简， 并根据胡克定律a , = e s = 和 应 变 定 义 二 二 _a uax ， 可 得 a ., = 利用此式可将 ( 2 . 1 )式写成 _a 2 u e二二 a x _a u 七 a x ( 2 . 2 ) 这是位移u 的波动方程，或写成标准形式 a 2 u 1 a 2 u a x e c a t e ( 2 . 3 ) 其中，c z0 = 里 尸 _ e， 二 、 、 二 、 ， _、 . 蝙 二 、 一 。1 t l = 6 f 1 遇解为 v p u = f ( c o t 一 x ) + f ( c t + x ) 其中， f ( c o t - x ) 和f ( c o t + x ) 将由 初始 条 件及 边 界 条 件 决定。 西 北t 业大学硕卜 学位论文电 磁铆接原理综述 对于 某一时 刻t , . u , = f ( c o t , - x ) 只是x 的函数 它代表这时杆的各点的 位移 应变和应力分布)如图2 . 2 上的曲 线所示， 其形状完全由函数厂决定。 经过一 段 时 间 ， 后， 函 数 的自 变 量 成 为c ( t, + o t ) - x ， 在: 点 的 厂 值 就随 着 改 变了 如 果 将; 值 也 增 加c o a t ， 使自 变 量ot . 十 t ) 一 (x 十 c , o t ) = c o t , - x 和原 来 一 样， 那 么 函 数 值也 和 原 来一 样， 即 在 时 刻t 、 的 位移 分 布曲 线 沿正z 方向向 右 移动c o a t ， 如 图2 .2 的虚线所示。 产、 ，尹 产 产l 2沪 “ 二 f ( gi 一 z ) c , a t 图2 . 2位移分析曲线随时间的平移 由 此 可见 ， f ( c o t - z ) 代 表一 个 沿正x 方向以 速 度c o 传 播的 波。 而f ( c o t 十 x ) 代 表 一 个 沿 负x方向 以 速 度c a 传 播 的 波。 波 速c o 只与 材 料密 度p 杨氏 模量e 有 关， 在弹性范围内与应力的大小有关，与波的形状无关。 ， 一 、 卜 二 、， 、 。 二 l 、 、 ，a ux t_ ， . _ _ . _ 杆内 各点 的 位移为。 ( x , r ) ， 各 点的 速 度为兰 丛 全 卫二 ， ( x , t ) ， 此 速度 系 质点 振 a t“-一- - ， ， 动时的 速度， 与波 动传播的 速度c o 不同， 从质点 振 动的速 度可以 计算作用 在质点 上的应力变化。 考虑沿正x方向传播的波 。 = f ( c o t 一 x ) 两边对x 求偏微商，得 西北工业大学硕士学位论文 电磁铆接原理综述 口 u， ， =一7 ( c . d 一x ) 汰 对 t 求偏微商，得 一 臀 一 、 ,f (c o 一 x ) 两式中消去f ( q- x ) 得 ， 日 u v=-c . , - “(i x ( 2 . 4 ) 将丝 一 冬 ， g = 压 代 入 上 式 ， 可 得 d x七一v p 。叮 -a _ v = 一cn 一=一 “e c o p ( 2 . 5 ) 此式说明，质点速度v 的大小是和应力的大小成比例，然而在弹性范围内波动速 度几则与 应力 无关。 在压 应力。 二 。 作 用下， 质点 沿负x 方向 运 动， 与 波的 传播 方向 相反。 函数f 和f的形式由 初始条件和边界条件决定。设杆长为 1 ，取其左端为坐 标原点，则边界条件 ( 端点)可写成: 在x= 0 端 在x= 1 端 u ( o , t ) = u ( t ) u ( l , t ) = u 2 ( t ) ( 2 . 6) 而初始条件可写为 在t = 0 时，位移u ( x , 0 ) 二 (d ( t ) 速度 v ( x ,0 ) = y ( t ) ( 2 . 7 ) 沿杆的初始速度和位移为零，即 ( d ( x ) =0 , 甲( x ) =0 在x = 0 端给予一个位移 u , =b s i n m t x = 1 端设为固定端，则 u 2 ( l , 0= 0 由 这些条件可以 确定f 西北工业大学硕上学位论文电磁铆接原理综述 波将从x = 0 开始，沿杆向正方向传播，因而只考虑 u ( x , t ) = f ( c o t 一 x ) 在x = 0 端要满足边界条件 u ( 0 , 1 ) = f ( c o t ) = b s i n co t 在杆内的其它点，自 变量为c ,t - x (一 ， 一 f (c o一 ， 一 b s一 弩， u k x , t 一 。 s ill 叭 一 c o ( 2 . 8 ) 以 上说 明x = o 端部加一位移，u , = b s i n a在杆内 传播的 波形为 b sin co ( 一 含 ， 在c o t 1 时， 波在固 定 端 将反射， 杆内的波由反射波和尚未到达端点的入射波叠加而成。 波的反射与叠加对分析应力波的传播有着重要意义。以下从两种特殊的边界 条件来讨论端点的反射情况。 第一种边界条件固定端的情况 当沿正x 方向 传播的波入射到固定端时，它将产生一个反射波，设入射波的 位移为 u , = p c o t 一 x ) 反射波位移为 u 2 = f ( c o t + x ) 在这两个波重合的地方总位移为 u = u , + u 2 = f ( c o t 一 x ) + f ( c o t + x ) 边界条件要求上式在x = 1 处 u = o ，于是有 i l 西北工业大学硕士学位论 文电磁铆接原理综述 f ( c o t 一 1 ) = - f ( c , t 一 1 ) ( 2 . 9 ) 说明在端点x = 1 处反射波位移的大小和入射波相等，方向相反。由此可以断定: 反射波的形状和入射波形状相同，即 f= - f 而两波的方向相反。入射波在此处的应力为 _ a u , i_ v_=七 =七 a x 二 _ ， o f ( c o t - x ) a x = - e f ( c o t - 1 ) ( 2 . 1 0 ) 而反射波在此处的应力为 _a u , i_ a f ( ct + x ) o =七一 =七一 o x 11 - 1 a = - e f ( ct + 1 ) ( 2 . 1 1 ) 根据 f ( c o t 一 1 ) = - f ( c o t + l ) 可知 ( 2 . 1 0 ) 及 ( 2 . 1 1 ) 二式相等， 说明在固定端反射波应力和入射波应力是一样 的， 压缩波反射后仍然是压缩波， 压力分布照样不变， 这是因为位移方向 和传播 方向同时改变了符号。因此在固定端入射波和反射波所产生的和应力等于波在杆 内 传播时应力的两倍。 图2 .3压缩波在固定端反射各阶段的应力分布 图2 . 3 表示一个压缩脉冲在固定端反射的各个阶段的应力分布。反射时， 西北工业