（车辆工程专业论文）轻型载重车铆接车架的接触法计算分析.pdf

同等学力硕士学位论文 摘要 三维实体摩擦接触分析( 3 ds o l i df r i c t i o nc o n t a c ta n a l y s i s ) 方法是最近几 年才出现的一种对三维实体接触问题进行分析的方法。该分析方法的应用，为 组装实体的设计和计算提供了一种更为精确的分析方法，摩擦接触分析处理问 题的方法相对于将结构作为一个整体零件的处理方法来说，要复杂一些，但计 算的结果也要更精确些。 本论文首先利用弹塑性理论，就铆钉铆接成形过程进行了分析，计算了铆 钉铆接好后铆钉对铆接钢板的分布压力，将这些分布鹾力作为铆接车架结构中 铆钉处力的边界条件来处理。接着从理论上进行了三维实体摩擦接触问题的分 析，推导了三维实体摩擦接触单元的刚廑矩_ 阵，计算了三维实体摩擦接触对中 的接触力和摩擦力。而且利用纵梁与横粱铆钉连接处作为实例，从实际操作上 作了具体的说明。通过实际的有限元摩擦接触法分析和计算，得出了各铆钉连 接处铆钉的最佳个数。 然后，利用p r o i e 对车架结构进行三维实体建模，将建好的模型导入 a n a s y s 后，对整个车架结构模型进行了接触法分析和计算，将计算结果与将 车架结构视为一个整体零件的计算结果进行了比较，提出了对车架结构进行优 化的措施，也为车架结构的设计和计算提供了一个新的分析方法。这是国内首 次将摩擦接触分析方法应用于铆接车架。 晟后，对整个车架的三维实体模型进行了模态分析，在此基础上可以进一 步对车架结构进行有限元动力学分析。 关键词：车架：铆钉：摩擦接触元：总合应力；变形 轻型载重车铆接车架的接触法计算分析 iii 日= 自| = j e = ! = = = f ! ! ! e = e = ! ! ! 暑 a b s t r a c t 3 ds o l i df r i c t i o nc o n t a c ta n a l y s i si sam e t h o da d a p t e dt oc a l c u l a t ec o n t a c t s o l i dp r o b l e m t h i sm e t h o dh a sa r i s e ni nt h es e v e r a ly e a r sr e c e n t l y w i t ht h i sm e t h o d a p p l i e d ，m u c hm o r ea c c u r a t er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e dt h es t r u c t u r eb e e n t a k e na s a na s s e m b l ym o d e li n s t e a do fal a r g es i n g l ec o m p o n e n t f r i c t i o nc o n t a c ta n a l y s i s m e t h o di sm o r e c o m p l i c a t e d ，b u ti ti sm o r e a c c u r a t e f i r s t ，t h ee l a s t i c p l a s t i c d e f o r m a t i o n p r o c e s s i s a n a l y z e dw h e nt h e r i v e ti s r i v e t e d t h ed i s t r i b u t e dc o n t a c tf o r c e sb e t w e e nr i v e ta n dt h er i v e t e dp l a t e sa r e c a l c u l a t e d ，a n dt h ed i s t r i b u t e df o r c e sa r ec o n s i d e r e da sf o r c eb o u n d a r y c o n d i t i o n s a 3 ds o l i df r i c t i o nc o n t a c tm e t h o di sa p p l i e di nt h i sp a p e r s t i f f n e s sm a t r i xo fc o n t a c t e l e m e n th a sb e e n p r e s e n t e d ，a n dt h ec o n t a c tf o r c ea n df r i c t i o nf o r c eb e t w e e n f r i c t i o n c o n t a c tp a i r so fn o d e sa r ec a l c u l a t e dt o o ，s e v e r a lk i n d so fc o n t a c tp r o b l e m so f a s s e m b l ym o d e l sa r ec a l c u l a t e dt h r o u g ha n s y s ，a n dt h eu s e dn u m b e ro fr i v e t so f e v e r yg r o u pi sd i s c u s s e do nt h er i v e t e ds t r u c t u r e t h ec o n t a c ta n a l y s i sp r o c e s so f t h e 3 d a s s e m b l ys o l i dm o d e l i si n t r o d u c e di nd e t a i l s e c o n d ，t h e3 ds o l i dm o d e lo ft r u c kf r a m ei sb u f i tu pw i t ht h es o f t w a r ep r o e ， a n dt h e nt h e3 d a s s e m b l ys o l i dm o d e l i sa n a l y z e dw i t ht h es o f t w a r ea n s y s ，w h i c h i su s e df o rf e mc o n t a c t a n a l y s i s o fs t m c t u r e s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to b t a i n e d t h r o u g ht h i sm e t h o d i sm o i ea c c u r a t et h a nt h a to ft r a d i t i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o n t a c ta n a l y s i si san e wu s e f u lm e t h o dt ot h ed e s i g no fr i v e t e dt r u c kf r a m e t h e i d e ao fo p t i m i z e dd e s i g ni ss u p p l i e d i ti st h ef i r s tt i m ei nd o m e s t i ct h a tt h ef r i c t i o n c o n t a c tm e t h o di sa p p l i e dt ot h er i v e t e dt r u c kf r a m e u l t i m a t e l y ，t h e3 ds o l i dm o d e lo ft r u c kf r a m ei sa n a l y z e df o rm o d a l o n t h e b a s i s ，t h em o r ed y n a m i c sa n a l y s i so ft r u c kf r a m ec a nb ed o n e k e y w o r d s ：t r u c kf r a m e ；r i v e t ；f r i c t i o nc o n t a c te l e m e n t ；v o nm i s e ss e q v d e f o r m a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本入在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 锡 日期：z 卯印年月f7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 魂牙 馕胁瞄 日期：缸一年年 月7 日 日期：9 幻刀每年，月，f 日 同等学力硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 接触分析方法的研究状况 1 1 1 接触分析法简介 三维实体摩擦接触分析方法是最近几年才出现的一种对组装实体模型进行分 析的非常实用的方法。它的推广和运用，为组装实体的设计和计算提供了更为精 确的方法，也大大地推进了计算机技术的发展。接触分析方法就是首先将结构的 所有组成部分建好模型后，再装配起来，形成一个总装实体模型。进行网格离散 后，在各组成部分相接触的面上加上一层摩擦接触单元，再像对待其它非线性问 题一样进行有限元计算分析。 摩擦接触分析方法处理的问题一般为求解非线性接触问题，相对于将结构作 为一个刚性连接的整体来说，其过程要复杂得多。其复杂性主要表现在以下三个 方面： ( 1 ) 建模较复杂。需将组成结构的所有零部件建好模型后，再作为一个组合 体进行装配起来，形成一个总的装配体。在装配体中，实际上有多少个零部件就 包含多少个对象。 ( 2 ) 分析的前处理比较复杂，需将总装实体模型中的所有接触面都找出来， 等模型的网格划分好后，再在相互接触的面与面之间加上摩擦接触元，由于有时 相接触的面很多，所以工作量比较大。 ( 3 ) 所需计算的机时比较长。摩擦接触问题为求解非线性问题，同时在实体 模型上也增加了较大数量的摩擦接触单元，所以所需计算视机时比较长。 虽然，作为求解非线性接触问题来说比较复杂，但是，这样的处理相对于将 结构作为一个刚性连接的整体来说要更加接近于实际情况。计算出来的结果相对 来说要更加精确。 1 1 2 接触问题国内外研究状况 接触问题是工程中常见的问题，只要两物体不是刚性接触，就形成接触问题， 如机械加工中两齿轮齿表面的接触：金属材料成形过程中材料与模具的接触：轴 承球体与支撑以及轴承与支座间的接触；土木工程中土壤与墙体间的接触，等等。 当物体在外力作用下接触时，其接触的形式有点接触、线接触、面接触。如果是 复杂加载或接触面几何构造比较复杂，上述几种接触形式可同时存在。外载变化 时，物体间的接触状况也将发生变化。这种变化不仅取决于外载的太小、方向、 速率，而且取决于两接触表面的材料、几何构造、表面加工状况等等，因而使接 轻型载重车铆接车架的接触法计算分析 触问题成为一个强的非线性问题。 两弹性物体相互压紧时在接触处附近会发生局部变形，从而形成一微小的接 触面。由于接触面很小，因而一开始接近于点接触或线接触。此时。即使物体承 受轻载，接触应力也很高。 1 8 8 1 年h e r t z 首先研究接触状态下的力学问题，建立了关于监面物体相互压 紧的表面应力和变形的数学理论。接触力学这门学科形成于1 8 8 2 年，由h e r t z 发 表他的经典论文论弹性固体的接触而开始。但是h e r t z 理论局限于无摩擦表面 及理想弹性固体，二十世纪后半叶，在接触力学方面的研究突破了上述局限。适 当处理了接触物体在交界面的摩擦，从而能将弹性理论以更符合实际的方式推广 到滑动接触及滚动接触。同时，塑性理论及线性粘弹性理论的进展使我们能够研 究非弹性物体接触处的应力和变形。 g a l i n 分别于1 9 5 3 年和1 9 8 0 年出版了两本关于弹性和粘弹性接触问题的著作， 主要论述二维接触理论。g l a d w e l l 在1 9 b o 年出版了一本关干接触力学的书，主要 考虑集中的或大范围的无摩擦接触或粘着接触，该书堪称经典接触力学理论最完 整的论述， t ，a n d e r s o n 于1 9 8 0 年发表了用边界元法研究弹性接触问题的第一篇论文， 其中考虑常单元且无摩擦的情况。1 9 8 1 年，他又将这项工作推广到有摩擦的接触 问题，此后，还用二次单元研究了该问题。 1 9 8 7 年，g k a r a m i 采用二次等参元解决了二维有摩擦弹性、热弹性的接触 问题。1 9 9 3 年，他又用二次等参元研究了有摩擦弹塑性问题，同时给出了多体接 触公式。1 9 9 2 年，j o h n s o nk l 在接触力学书中采用迭代方法或增量方法解决接 触问题i ”。 1 9 9 3 年，c a b r e b b i a 在其编辑的关于接触问题的专著中，有许多用边界元 法求解接触问题的方法，如y a g a w a 的罚函数法，t a k a h a s h i 的柔度法。l e e 的数学 规划法等。 我国的江骏书、赵士英于1 9 8 5 年用线性单元求解了无摩擦时的平面弹性接触 问题。近几年来，牛忠荣、程长征将子域法和凝聚法应用于弹性滚拄与刚性平面 的稳态滚动接触问题1 2 j 。刘天祥、刘更用无网格伽辽金有限元耦合方法求解二维 接触问题【3 】0 2 0 0 2 年。汪召华在清华大学学报上发表了一篇文章三维摩擦接触的有限元 分析，在该论文中，他用四节点等参数单元模拟三维摩擦接触单元【4 l 。 可见，有关接触这方面的问题国内外已有了不少的研究。但是，这些方面的 研究成果还主要停留在二维接触问题的分析。对于三维实体的接触问题，从理论 上和实际应用上还有待于进一步的研究。因此，还需将接触分析这一方法在三维 实体的接触问题领域里，从理论和实践上进一步进行研究和发展。 2 同等学力硕士学位论文 1 2 汽车车架有限元分析中的接触问题 1 2 1 车架的有限元分析发展 车架设计在整车设计中占有十分重要的地位，车架结构是比较复杂的超静定 结构，用经典力学的方法不可能得到精确的计算结果。过去传统的结构设计都是 依赖于经验和类比，为了能够计算，往往采用了较多的假设和简化，计算模型只 能构造得非常简单，与实际结构形状相差很大，所以计算是十分粗糙的，也是很 不精确的。早期的车架计算是将车架简化为简支粱，只作弯曲强度的校核，这显 然满足不了设计要求。而后进行的车架扭转强度计算方法，则是认为车架抗弯曲 刚度比抗扭转刚度大很多，进而假定车架在扭转变形时整个结构都不发生弯曲， 这样就避开了车架高次超静定求解的困难。但这种方法只计算了纯扭转状况，没 有能考虑车架的实际工作状况及局部扭转变形，这种认为车架工作时各梁只扭转 而不弯曲的观点是不符合实验结果的。并且这种方法计算量也大，在实际应用中 有一定困难。 随看有限元的发展和推广，国内汽车行业早已将有限元法应用于汽车车架的 静动态分析和计算。但开始时只能采用梁单元来模拟车架，在建立车架结构强度 分析的有限元模型时，对于一些低合金钢板冲压成形的槽钢、工字钢等型材制作 的车架，这种模拟方法存在许多不足之处。例如，每一个梁单元的截面尺寸是不 能变的，所以用梁单元来模拟变截面形状的构件时，计算精度很低。仅采用梁单 元，无法反映车架纵梁和横梁的连接情况，更难以准确计算车架构件连接处的应 力，计算结果只是各节点的应力情况，不能得到构件截面应力分布，因而不能为 截面形状设计提供依据。后来采用板单元来模拟，相对于梁单元来说要精确些【5 6 l 。 但是，采用实体单元的精确度相对梁单元和板单元来说都是最高的，本课题当中 采用实体单元来进行网格划分。 1 2 2 有限元分析中车架纵横粱连接处的处理 车架是支承连接汽车的各零部件，并承受来自车内外的各种载荷的主要结构。 车架是整个汽车的基体，汽车的绝大多数部件和总成都是通过车架来固定其位置 的。因此，车架必须具有足够的强度与刚度，同时要求其质量尽可能小。 为了保证车架的建模糖度，还是应该考虑精确模拟连接处的力学特性。以往 的文献和设计计算中用于车架有限元分析的模型，都是将车架结构作为一个刚性 连接的整体，也就是将连接处作为刚性连接来处理，没有考虑各零件之间的装配 和搭接效果。这样，会使连接处的刚度跟实际情况比较起来，增大几十倍甚至几 百倍r 7 ，8 】，整个车架的刚度也会比实际情况大了许多。而且，通常对车架强度起决 定作用的是连接区域的正应力，忽略连接处的柔度将无法确切地计算出该区域的 一3 轻型载重车铆接车架的接触法计算分析 应力分布，给计算结果带来不可忽视的误差，给设计和优化带来困难【9 t 1 0 】。 另外，有实验表明摩擦在联接件的强度中扮演着十分重要的角色。当结构突 然出现脆性断裂时，大量的能量可以被联接件所产生的摩擦所吸收掉。因此，在 联接件中所产生的摩擦可以提高连接的有效性n “。但是，摩擦在许多紧固联接件 的分析中常常被忽略掉，主要原因是在考虑摩擦时，问题从理论和实际计算上都 会变得十分的复杂。而文i t 2 l 还是主张克服困难，考虑摩擦的影响。所以，还需要 考虑连接处的接触摩擦的影响。 对于轻型载重车的铆接车架，铆接相对于焊接来说有一定的优点，所以在组 装时采用铆接。主要是因为采用较柔软的连接可以使对强度起决定作用的连接处 的扇形正应力降低，也可以使与横梁连接处的纵梁的扭转应力减小1 1 3 l 。因此，为 了在有限元分析时更加真实地反映实际情况，本课题中采用装配的建模方法，在 纵梁和横梁之间以及梁板与铆钉之间加摩擦接触元，对零件的装配搭接处采用仿 真处理，对整个车架采用接触算法。具体做法是，首先将组成车架结构的所有零 部件如纵梁、横梁和铆钉等建好模型。在建立模型时，取铆接好的铆钉杆与铆钉 孔的直径、长度刚好相等。装配起来形成一个车架的总装实体，用实体单元进行 网格划分后，在板与板之间加摩擦接触元的同时，在铆钉孔的圆柱面与铆钉的圆 柱面之间以及铆钉帽与粱板接触的圆环面之间也加上摩擦接触元。再将铆接分布 压力加在铆钉孔的圆柱面上和铆钉帽与梁板接触的圆环面上。然后再做进一步处 理和求解。这样计算出来的结果，相对于将车架结构作为一个凡q 性连接的整体来 说，比较接近于实际情况。 因此，需要利用弹塑性变形理论对铆钉铆接的成形过程进行研究，计算出 铆接成型后铆钉对梁板孔圆柱面上的径向分布压力和铆钉帽对梁板圆环面上的分 布压力。在对车架进行有限元分析和计算时，车架中纵梁与横梁的连接处有铆钉 的地方，铆钉对铆接板的分布压力可以如上所说作为力的边界条件来处理。也可 以将铆钉的铆接力像预紧的螺钉一样去加载预应力，a n a s y s 6 1 中提供了几种预 应力加载的方式。将铆钉连接处作为剐性连接来考虑，这样可以大大地化计算。 但是，误差也会随着产生，因为实际的铆接结构的强度和刚度跟作为一个整体零 件来比较，相差是比较大的。 1 2 3 关于车架中双层槽钢结构纵梁的应用 近年来，为了增大车架结构的强度和刚度，国内外一些中、重型汽车上应用 双层槽钢结构纵梁，这种双层槽钢结构纵梁是采用铆钉或螺栓连接的。但是。在 实际计算时，不考虑铆钉连接的影响，而是将双层槽钢结构看成为整体截面来考 虑。这样计算结果中的应力和变形肯定比实际的值要小。这样设计的车架会出现 早期断裂现象。因为，采用双层槽钢结构纵梁对，实际的车架强度值和刚度值比 4 同等学力硕士学位论文 计算的值要低。 采用铆接的双层槽钢结构纵梁是否切实可行呢? 文 1 4 中指出，这种铆接的双 层槽钢结构纵梁存在内层槽钢受力参与程度不足的问题。而内层槽钢受力的参与 程度又与铆钉的间距以及铆钉铆接的位置有很大关系，也就是说，当铆钉在槽钢 腹板上铆接时比在翼板上铆接要好。考虑了这两个方面的因素后，这种铆接的双 层槽钢结构纵梁还是可以采用的。但是，通过铆钉连接的双层槽钢的刚度比与双 层槽钢相同厚度的单层槽钢来说，刚度要小得多。文【1 4 】得出的结论有其一定的道 理，但计算结果与实际情况相差较大，原因是没有考虑双层槽钢之闻摩擦的影响。 如果，在进行有限元分析时，在双层槽钢之间加上摩擦接触元的话，计算结果与 实际的差距会减小许多。经过实践证明采用铆接的双层槽钢结构纵梁还是可行的， 摩擦接触分析方法的推广和运用，为车架乃至整体汽车的设计提供了更为精 确的实为有效的方法。但由于该方法存在建模较复杂、分析的前处理比较麻烦以 及所需计算的机时比较长等问题，暂时还未能得到普遍地推广和运用，但随着计 算机的硬件和软件的飞速发展，分析的前处理可迸一步程序化，计算机的计算速 度也会越来越快，利用接触分析的方法设计汽车车架肯定会越来越容易，也会成 为必然趋势。 1 3 课题研究的目的及意义 近几年来，中国汽车工业的技术水平有了很大的提高，但是，目前我国汽车 工业的技术水平仍然相当落后，与发达国家相比仍有较大差距。 已经加入了w t o ，中国的汽车工业又面临着一场生死攸关的挑战。作为1 3 亿人的大国所拥有的潜在市场实在令国外各大汽车公司垂涎欲滴。纵观现代工业 发展的历程，世界各工业发达国家都是借汽车发展的契机从而达到振兴经济的目 的。因此，我们更应该充分利用已有资源，进行具有自己知识产权的技术研究开 发，以缩小与发达国家之间的差距。车架是汽车领域的一个重要研究方面，车架 的接触法计算和设计是一个新的方法，应用此方法，可设计出质量更轻、性能更 好、结构更优化并且更加安全可靠的车架，本课题的研究对增强我国汽车车架的 设计和开发能力，促进汽车工业的发展，有着重大的理论意义和广大的应用前景。 所产生的经济效益和社会效益也将会是很大的。 1 4 课题研究的内容 本文主要研究把三维实体摩擦接触分析方法应用于车架的计算和设计，应用 该方法对石门民源农机有限公司生产的轻型载重车的铆接车架进行分析。本文的 主要研究内容包括以下几个方面： 利用弹塑性理论，就铆钉铆接成形过程进行分析，计算铆钉铆接好后铆钉对 - 5 轻型载重车铆接车架的接触法计算分析 铆接板的分布压力，将这些分布压力作为铆接车架结构中铆钉处力的边界条件来 处理。 从理论上进行三维实体的摩擦接触问题的分析，对三维实体的摩擦接触单元 的刚度、接触的协调条件、接触的分类判断以及三维实体的摩擦接触对中的接触 力和摩擦力进行分析和计算。对纵梁与横梁铆钉连接处进行有限元接触法分析和 计算，确定各铆钉连接处铆钉数目的最佳个数。 利用p r o e 进行三维组装实体建模，导入a n a s y s 后，对整个车架结构模型 进行了接触法分析和计算，将计算结果与将车架结构视为一个整体零件的计算结 果进行比较，提出对车架结构进行优化的措施。 晟后，对车架的三维实体模型进行模态分析，就车架结构的动态性能做简要 的论述。 6 同等学力硕士学位论文 第2 章铆接铆钉分布压力的分析和计算 在轻型载重车的铆接车架上，横梁和纵粱的连接处铆接了加强板。在对车架 进行有限元的分析和计算时，以前的做法是将铆接上去的加强板与车架当作一个 整体零件来处理。这样处理跟实际情况相比较，肯定会有较大的误差。因为这样 处理在计算上大大地增大了整个车架结构的强度和刚度。为了得到与实际情况更 加接近的计算结果，可以设法求出铆接铆钉对钢梁的铆接分布压力，将该分布压 力作为力的边界条件来处理，或者将铆接分布压力作为铆钉的预应力进行加载i l ”， 使车架的计算和分析变成一个求解接触问题。但这样处理问题的关键在于必须先 计算出铆钉铆接好后的分布压力。现在就来计算该分布压力，并且分析与铆接分 布压力有关的一些因素。 2 1 铆接铆钉分布压力的计算 2 1 1 铆钉铆接压力最大时的受力和变形分析 2 1 1 1 铆接时压力的计算 取铆钉直径d = l o m m ，钉孔直径为d 。= 1 0 3 r a m ，采用精装配。用铆钉机冷 铆接。铆钉材料为碳素钢m l 2 ，屈服极限盯。= 2 1 5 m p a ；铆接板的材料为低合金结 构钢1 6 m n l ，屈服极限o s = 3 4 5 m p a ，每一块钢板的厚度为5m m 。根据铆钉直径d = l o m m ，可算出i x 6 1b = 3 5f i l i a l ，h = 4 6m m 。 铆接时，近似地把铆钉成形过程看成是圆盘类零件的模锻过程【l 刀，如图2 1 。 剖删 hl 学 0 i 觑： 0 2 每。 o 2 1 一成型铆窝头：2 铆钉；3 铆接钢板；4 铆机预置头 图2 1 铆接压力最大时状态及铆钉杆中一点的应力应变状态 则锻造力( 即铆接压力) 为 f 。陋舡+ ( ”+ - + b 去卜 旺- ， 7 轻型载重车铆接车架的接触法计算分析 式中，一屈服极限，m p a b 一锻造时飞边宽度( 这里可看成是铆钉冒的宽度) ，m m ： h 一飞边高度，m m ： a 6 一飞边投影面积，m m 2 ； 爿t 一锻件本体投影面积( 钉孔面积) ，1 1 1 1 t 1 2 1 d 一锻件直径( 铆钉直径) ，1 1 1 1 1 1 。 将式( 2 1 ) 中各参数数值代入得 1 5 【p 兼) x 1 5 3 1 4 + 卜磊3 5 + 彘) 埚蕊】 一1 0 6 k n 由公式( 2 1 ) 可算得：作用于钢板圆环面上的分布力为 胪一5 + 韵= 4 0 4 m p a 设铆钉轴线为z 轴，应力为a3 ，过z 轴设矗y 轴，应力分别为d 1 和a 2 ，则 有【l s 】 吁卟s + 鲁+ 警) 2 ， 上式中，当x = 0 5 d 时，可得盯3 4 8 6 m p a 设盯1 - - - - - ( 2 2 ( 铆钉为圆形) ，由塑性屈服条件o r l 一吧一仃。，则有 口1 2 仃2 2 仃3 + 仃f = 一2 7 1m p a 式中，盯l 、d r 2 一径向应力； 口，轴向应力。 所以，铆接压力最大时，铆钉孔圆柱面上的分布压力为p ：一0 1 2 7 1 m p a 。 2 1 1 2 铆接压力最大时，铆钉的应力、变形分析 图2 2 中，铆机预置头不动，由于在成形铆窝头 压下过程中，剐开始成形铆窝头与铆钉是圆周线接 触，继续压缩则变为圆环面接触。当圆环面扩大到 一定程度后，铆钉杆开始整体镦粗，胀大孔。在铆 钉帽完全成形之前，板孔基本上己被胀大。所以， 在计算板孔的被胀大量时，可以不考虑铆钉帽帽沿 对板上圆环面的压力，而将板孔的被胀大看作为孔 边受均匀疰力p p ，的无限域歼圆孔。函此，可琢 8 鋈蕙 忒。态 固2 2 继续压缩为圆环面接弦 同等学力硕士学位论文 下面公式计算铆钉孔壁上一点的径向位移【1 9 1 “，。譬【1 + 口) ( 2 3 ) c 式中，p 一作用在铆钉孔圆柱面上的径向分布压力 卜一铆钉孔的半径 e 一钢板材料的弹性模量 “一钢板材料的横向变形系数 上式中，取p p 2 = 2 7 1m p a ，r = x d 礼= 5 1 5 r a m ，e = 2 0 4 g p a ，p _ o 3 ，可计 二 算出铆钉孔壁上一点的径向位移h ，= 0 0 0 9 1 r a m ，即铆钉孔半径的增量。于是，铆 钉孔在最大压力时的直径增量为d 一2 u ；0 0 1 8 2 m m 。设铆钉除开铆头的体积， 即钉杆的体积刚好等于孔的体积( 可以经过试铆确定) ，再由铆钉的体积不变得关 系式d 竺- d ( t = 1 0 m m 为两块钢板的厚度之和) ，即可求出铆钉孔附近板的 2 t 压缩量血- o 0 3 5 3 m m 。这时 铆钉直径为d 一1 0 3 + 0 0 1 8 2 1 0 3 1 8 2 n l t n 铆钉杆长为t ，= 1 0 一o 0 3 5 3 ；9 9 6 4 7m m 图2 1 为铆接压力最大状态。由于从材料上和结构上看，钢板的刚度都大于铆 钉，所以钢板只考虑发生弹性变形。 2 1 2 铆钉铆接好后分布压力的计算 2 1 2 1 铆钉机松开后铆钉的应力应变分析 当铆接外力f 去掉后，钢板孔挤压铆钉，使之先发生塑性回复，铆钉变长、 变细，等达到条件d r l o r ， 。时，铆钉再发生弹性变形。 f 一叫 、 2 图2 3 铆钉铆接好后受力状态及铆钉杆中一点的应力应变状态 图2 3 为铆钉机松开后，由于钢板对铆钉的轴向拉力和径向压力丽发生弹塑性 变形后的终了状态。铆钉机松开后，假设钢板恢复原厚度6 ，铆钉孔缩小到原大 - 9 ，j f f茁，卣 轻型载重车铆接车架的接触法计算分析 小；铆钉由于钢板恢复原厚度而被拉伸，直径也被压缩到铆钉孔的原直径大小。 这样，铆接好后，铆钉和钢板之间存在轴向和径向的分布压力。 由于钢板孑l 恢复原尺寸而使铆钉发生的应变为 纵向应变：竽：3 5 3 x 1 0 一，横向应变；。一丢一1 , 7 6 5 1 0 一， dz 设由于钢板孔恢复原尺寸而使铆钉发生的塑性应变为：纵向应变? ，则横向 应变；= 一去s ? 。于是，由于钢板孔恢复尺寸而使铆钉发生的弹性应变为 ：芒占：一f ? s ；墨：一； 2 1 2 2 铆钉机松开后铆钉分布压力的计算 根据图2 , 3 所示应力、应变状态，由胡克定理( 铆钉的横向变形系数岸取o 2 8 ) ， 可得 ：一e ：一e ：一三h 一( 吒) ( 2 4 ) s ；= ；一；一告h p ( 吼+ 吒) 】 ( 2 5 ) l 由于锅板孑l 的压缩，铆钉由塑性回复过渡到发生弹性变形，有 盯l 一口， 盯s ( 2 6 ) 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式联立可以解得：盯1 1 4 3m p a ，仃2 = a 3 7 2m p a 。 于是，铆钉帽对钢板上圆环面的分布压力为 p # 自- 孚。q 7 7 m p a 铆钉加在铆钉孔圆柱面上的径向分布压力为 p 自2 盯2 = 盯3 o ，则继续保持为分离状态； 如果6 。s 0 ，则转入粘着状态。 3 2 3 4 不同接触区的性质 对于粘着区 6 ，= “? 一? 一0 对于滑移区 妒1 + 馘i m 弦1 + i + 馘研? 一血? ) w o r k p l a n e o f f s e t w p b yi n c r e m e n t s 得到一对话框，将转动角度的滚动条拖动到9 0 。，然后，单击r o t a t e + y d i r e c t i o n ， 使工作平面绕y 轴转动9 0 。 2 ) 路径：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m o d e l i n g o p e r a t e b o o l e a n s d i v i d e ) v o l ub yw r k p l a n e 得到一选择对话框，单击p i c k a l l ，再由路径u f i l i t ym e n u p l o t r e p l o t 得到被分 成两半的结构。 3 ) 路径：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m o d e l i n g d e l e t e v o l u m ea n db e l o w 选择左边的板和铆钉，将其删掉，点击o k 。再由路径： u t i l i t ym e n u p l o t r e p l o t 得到如图4 。5 的二分之一模型。 ( 3 ) 建立四分之一模型 1 ) 路径：u t i f i t ym e n u w o r k p l a n e o f f s e tw pb yi n c r e m e n t s 得到一对话框，单击r o t a t e + xd i r e c t i o n ，使工作平面再绕x 轴转动9 0 。点击 0 k 。 2 ) 路径： m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m o d e l i n g o p e r a t e b o o l e a n s d i v i d e v o l ub yw r k p l a n e 得到一选择对话框，单击p i c k a l l ，再由路径 u t i l i t ym e n u p l o t r e ：p l o t 得到再次被分成两半的结构， 3 ) 路径：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m o d e l i n g d e l e t e v o l u m ea n db e l o w 选择靠前边的板和半个铆钉，将其删掉，点击o k 。再由路径： u t i l i t ym e n u w o r k p l a n e d i s p l a yw o r k i n gp l a n e ( t o g g l eo f f ) u t i l i t ym e n u p l o t r e p l o t 得到如图4 6 的四分之一模型。 步骤2 ：定义材料属性和单元类型 3 4 同等学力硕士学位论文 l 一i i - 。_ ：l ( 1 ) 定义材料属性 路径：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m a l e l j a lp r o p s m a t e r i a lm o d e l s 再旅次双击s t r u c t u r a l ，l i n e a r , e l a s t i c , l s o t r o g i c 对第一种材料板输入弹性模量e = 2 0 4 e 5 ，泊松比口= 0 3 ，对第二种材料铆钉输入弹 性模量e = 2 e 5 ，泊松比肛= 0 2 8 。 ( 2 ) 定义单元类型 路径：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r e l e m e n tt y p e a d d f _ a i t d e l e t e 添加单元类型。首先，选择s o l i d 实体类，第一种单元类型选择2 0 节点s o l i d l 8 6 实体单元；第二种单元类型选择2 0 节点s o l i d 9 5 实体单元。 由路径：m a i nm e n u p r e p r o c e s s 3 r m e s h i n g m e s ha t t r i b u t e s 将材料属性和单元类型分别赋给板和铆钉， 步骤3 ：划分两格 路径；m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m e s h i n g s i z ec n t r l s m 柚u 柚s i 2 e u n c s g i g k e d “喁s 将图4 , 6 中各线段和曲线进行划分再由路径： m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m e s h i n g m e s h v o l u m e s m a p p e d f r e e 将结构图划分网格如图4 7 。 圉4 6 四分之一模型围4 7 四分之一网幡模型