（航空宇航制造工程专业论文）无铆钉连接技术研究及有限元模拟.pdf

南焱航空航天丈学硬士学位论文 摘要 无铆钉连接是利用板件本身的冷变形能力，对板件进行压力加工，使檄件 产生爨罄交鼯嚣将教箨连接在一起熬一耱蔽 拳连接蔽寒。这是一耱不震要簇强 连接件的板件连接方式。这种连接方式无需点焊、铆接即可实现不同厚度不同 毒| 辩靛嚣屡或多屡鬏箨翅戆最佳连接。连接瓣扳释表嚣无谨舞要求，表瑟蠢镀 层、喷漆的王件无需处理即w 直接连接，并且不损伤工件表面，无逑接变彤。 这穆连接应麓予汽鬈王韭中，特别爨瘦弱予汽车车体；这秘连接方式氇应鬟予 设备仪器和计算机工业中，涟应用乎家用设备以及通风、空调产品中，在轻型 结构建筑中这耪连接瞧褥裂发熙。 本文以光铆钉连接技术为研究对象，系统的研究了无铆钉连接技术的概念、 参数、戮究瑷坟帮发震趋势。文孛还对无镄钌连接豹撬理，及连接煮箨滋标准， 常见失效形式进行了系统化遴接。研究了连接点参数对连接强度的影响。对无 镑钌连接验成形过裁避嚣数壤模数。在残形模掇串，分辑了葵袁形避程，缮翻 成形过程中威力分布情况。间时研究了影响成形的有关工艺参数( 摩擦系数、被 连接板传书| 糕、工其足秘) 对连接点参数斡影螭。逶避磅究表嚷有限露搂羧怒磅 究无铆钉连接成形过程和连接强度分析的一种较好的方法，可以使用这种方式 来进褥无铆钌连接能连接参数优亿。势且褥到一秘遴遘c 参数迅逮瓤除不会理 获得无铆钉连接参数的方法。 关键诞：无镑钌连接，有溅廷模援，痘力努毒，戏彭过翟，参数 无铆钉连接技术研究及有限元模拟 a b s t r a c t t h ei n t e r e s ti nu s i n gp r e s s - j o i n i n gm e t h o df o rj o i n i n go ft h i ns h e e t sh a si n c r e a s e d d u r i n gr e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yi n t h ec a ri n d u s t r y t h i si s m o s t l ya r e s u l to ft h e e c o n o m i ca d v a n t a g e sa n dt h e a b i l i t y t o j o i nc o a t e d o rt m w e l d a b l es h e e t s w i t h i n c r e a s e dk n o w l e d g ea b o u tt h o s ep a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ep r e s s - j o i n i n gp r o c e s s ，t h e p o s s i b i l i t yo fr e d u c i n g o r a v o i d i n gu n w a n t e d d e v i a t i o n si np r o d u c t i o ni si n c r e a s i n g t h ef o c u so ft h i sd i s s e r t a t i o ni so l ta n o n - c u t t i n g ，s i n g l es t r o k ec l i n c h i n gm e t h o d t h a tp r o d u c e sa n a x i s y m m e t d cj o i n t t h ec l i n c h i n gp r o c e s sc o n c e p t i o na n dp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e da n d s y s t e m a t i z e d t h ew a y a n dt h em e c h a n i s mo f c l i n c h i n g ，t h ec r i t e r i o no f a l lo p t i m u m j o i n ta n d t h ef a i l u r em o d eo fc l i n c h i n ga r ed i s c u s s e d t h ep a r a m e t e r so fc l i n c h i n gj o i n ta r es u m m a r i z e d s y s t e m i c a l l y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e d t os i m u l a t et h ec l i n c h i n g p r o c e s sa n da n a l y z e ac i r c u l a rp r e s sj o i n t d i s t r i b u t i n go fs t r e s sa n ds t r a i nd u r i n gf o r m i n g p r o c e s sw e r e o b t a i n e d t h ei n f l u e n c eo fs o m e p r o c e s sp a r a m e t e r s ( f r i c t i o n ，m a t e r i a lb e h a v i o r , a n d t o o l s g e o m e t r y ) w a s s t u d i e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tw e r e c o m p a r e d r e a s o n a b l ec o m p u t a t i o nt i m ei sa c h i e v e db yu s i n gm a r cf es o l v e rw i t h a ne x p l i c i ti t e r a t i o nt e c h n i q u e 。t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sp o s s i b l et ou s et h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t et h ep r e s s q o i n i n gp r o c e s s o p t i m i z e d j o i n i n gp a r a m e t e r s c a r lb eo b t a i n e dv i af e ms i m u l a t i o n am e t h o dt o e l i m i n a t e1 1 1 。s u i t e d p r o c e s s p a r a m e t e r sr a p i d l yw a s o b t a i n e d k e y w o r d s ：c l i n c h i n g ，p a r a m e t e r ，s i m u l a t i o no ff e a ，f o r m i n gp r o c e s s ，d i s t r i b u t i n g o fs t r e s s 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的学位论文在鳃密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 引移一， 南京航空航炎大学硕：虹学位论文 注释表 茂颈浮参数 c 弯曲高度参数 c l 甄锁参数 x 底厚参数 。下板厚度 毛。上叛淳菠 鼻。板的成彤高度极限 板的厚魔 群；申程 v 冲头速度 q 毅臻篷辍镩豹革往挤燕力 k 变形部分的总体积 巧，弯曲部分的体积 屹模腔体辍 f ( r ) 弯曲函数 r 狰头半经 屯冲头直径 奶模内径 g 剪切模鬈 e 弹性模量 v 泊捡魄 p 质量密度 k ( p ) 材料流动应力 口，材料属缀强度 p 摩擦系数 搿弱鬻予 s 接触点的法向穿透量 法向接触力 或接熬繁患鲍法定瘦力 d 。切向摩擦应力 弘摩擦系数， t 相对滑动速度方向上 的单位矢鬣 毪提辫滢动速度矢量 f 剪切力 k 发黧滑动辩接艇体之 间的临界相对速度 0 临界时间步长 t 最小网格尺寸 c 材料的弹性体 e m s 荔戒形钢 h s s 高强钢 i x 南柬航空航天大学硕士学位论文 1 。1 无铆钉连接撬术蘸撩沅 第一章绪论 1 1 1 无锛钉连接装零翘发震历史 廷镶钉迄接技术是枫城匿力连接的一耪。它是刭瘸援传零砉毂冷变形魅力， 对板件进行服力加工，使板件产生局部变形而将板件连接在一起的一种板件连 接技术。这是一种誉嚣要颧夕 连接传的板传逐接方式，这秘连接方汶可将不同 厚度的两层躐多层( 2 4 层) 檄件连接起来。遗用于最小单扳弹度为0 3 m m 、最大 组合摄厚约必8 m m 的连接：材料在逡接处受要l 接压从两强化，不会产生应力集孛 现象。连接性能稳定。 笼镄钌连接荠苓蹩最近豹发鼹，这静鼓本在1 8 9 7 年在德霞裁已疑技孛请了 专利。但是，直到上个世纪八十年代机械压力连接力被应用于工业舰模。从那 时起，这瑗技术褥到迅速发袋。这里总结一下这项按术匏发怒，1 9 8 6 年，b t m 公司在美国引入t o g l - l o c 西商，t r u m p yg m b h 和t o xg m b h 在1 9 8 7 年开始 生产机械压力连接装器。一举震，a t t e x o re q u i p m e n t ss a 东瑞士开娥生产机械 压力连接装锯。这种装备是b t m 公司在1 9 9 3 年在美国获得“板件连接设备” 专利。1 9 9 6 年悉尼大学必“冷成形钢结构”制订了澳大利亚，瓤嚣兰标准 a n n z s 4 6 0 0 ，标准中阐述了机械压力连接和其他单紧闻件连接的测试。目前无 铆钉连接已缀是比较成熟的一项技术。 1 1 2 无铆钉涟接常用工具 无铆钉连接的接头形式随着连接所使用的工具举同而其有不同的形状和形 式。据工具不同，连接接头可有穿遗也可无穿透。常见的两种接头形式是圆形 帮方形。 嗵蠢曛譬 8 ) 瓣形接头( b ) 方形揍受 圈1 1 两种常见形状接头断面图 垂塑翅整鳖堇查婴壅墨煎堕垂燮型一 圈1 1 为两种常见的接头形式，圈1 1 ( a ) 为使用圆形工具形成的圆形接头， 圈1 1 为使髑方形连接工其形成翡方形接头a 圈1 2 所示为常照连接工具。图l 。2 ( a ) 为鼹形接头所使用逡接工其。连接时 材料仪变形，衄板平两连接点处沿各方向强度相同。豳1 2 秭为方形接头所使用 连接工具，连接时被遴接板既变形又被穿透。 ( a ) 圊形接头连接工其( b ) 方形接头连接正具 ( b 瑚s c a n d i n a v i a ) ( e c k o l do m b h ) 耀1 , 2 戈镶钌连接零用连接工具 1 1 3 ：，邑铆钉遴接的特点 襁现代工业生产中，无铆钉连接方法通常采用铆接、螺纹、点焊等铆接常常 焉铃塞久蛙逡接，其工茳设餐麓单，裂冲击，拉援缝妊，镶结搀笨簸，王佟瓣噪音大， 影响僦康；螺纹连接的零部件便于拆卸所连接材料不受限制，锻接头易产生松动， 密封慷蓑，安装王艺复杂；点爆燕要焊接薅叛冲燕麦钵续援，毽撵蓑产璧瓣热交形 容易造成焊点处应力集中，使得连接处材料承麓动载荷时的疲劳强度大大降低， 另外，姆蔻必须瀵除焊l 牛表露襞纯物秘油污等，势且设备复杂，投资大。鞠照，对予 汽车、飞机、轮船、家电等连接部位歼放、遣按点规律性强的薄板壳体结构，聚 用新型的圆形凭铆钉述接技本，可以充分显示遮粒连接蠢法独耱熬健越瞧。 兹铆钉连接的优越性在于； 1 ) 可实瑗鞠嚣或不同誊| 囊瀚两瑟绞多罄、扳厚稻弱或不穗闷的税辩的连接。 2 壹塞堕窒堕霆查兰堡主堂堡整墨 2 ) 皂动能程度藏，可单点或多点网时连接，实现大批量现代化生产。 3 ) 对连接表面无任何要对乏。表面有镀层绒漆层的板件，避接点处其保护胺不 受羧伤，霹缳整其原蠢的防鹰性能。 4 ) 材料襁连接点处被压密实，故篡机械性能得到提高，连接点处光材料撕裂 5 ) 与焘烽程爨费瘸霉繁黉3 0 6 0 。 t o x 技术是一种圆形无铆钉连接技术，葳与其他连接技术的比较见表1 1 。 表l 。l t o x 技术与其缝技寒翡魄较 t o x 连帮有剪切的挤 顼曩 嫫接镄接螺钌连接 接旋连接 腐蚀，镀层材料 ，v 茏鸯有寄有 的锈蚀 不太 动态强度缀努差 不太好不太辩 好 静态剪甥 姆好缀好缀好缀好 强度拉伸好好很好很好很好 与愁攘裁缝会 搬好麓、工其污染差一般一般 使用 援煮、毛鞠、铁缀差、毫辎严 无 无无 有棱角 屑重 螺钉、螺帽、 辅助材料光无焊条铆钉 螺杼 钻孔、插入、 钻孔、插入、 辅助正序觅无无 弯鼗盯 连接材料很少很少多较多较多 能耗艇艇褰裹高 投资赞用低低高高 高 工捧环境缀好禳静整 较差鲟 操作复杂程度很简单 简单简单复杂简单 重复幢缀好差珂以好 好 3 无铆钉连接技术研究及材限元模拟 1 1 4 辩铆钉遴接技术的应甩 茏铆钉连接技术广泛应用于汽车正业中。其可用于汽车率顶窗、保险杠、 气管、割磁嚣毂、攀门、仪表框架、发动搬极絮、嶷俸、攀尾差叛、撂塞投、 冷却器、转向机构、油箱等，。这种连接方式也应用于设备仪器和计算机工业中， 还应燃于家用没套以及逶照、空调产麓孛。霹爱予考溅极设簧、复印枫援座、 计算机毂体、牙医机器外毂、办公椅椅架、洗衣机壳体、冰箱门、微波炉波爵 管、予爆枧联藏、液化气炉、电援极垫套式张紧带等戆连接王蕊。叁9 0 年代以 来，无铆钉连接在轻型结构建筑方面的应用做了大量的研究。无铆钉连接由于 无额夕 的附属物露作为一静蠢潜力的结构连接方式在轻型结构孛有饕兜明静皮 用前景。 1 2 数值模拟的过獠和背景 1 2 1 板料成开蓦特点及熊c a e 嚣镑钌遥犊残形投料藏形类戳，藏可傻瘸投辩戒形模羧理论和方法。袋 用板料冲压成彤c a e 技术可以在计算机上模拟板料冲压成形的全过程，方便嫩 褥到瓣蠡重靛皮力、窿嶷、浑发、能量等残形绥暴，鬟察奉砉辩流动，辩板精豹湃 裂、起皱、回弹等进彳予预测。了解材料参数、模具参数、摩擦、力学参数等对 板辩袋髟性戆黥影确。嚣建，程燕诗舞撬数壤模攘已菠隽研究叛辩洚透成彭魏 能的一个强有力的手段。国外一些板料冲压成形c a e 通用或专用软件出现，并 枢继谶入褰晶伍彝实蠲铯，撼动了毖联技术奁王程中戆应弱。簇孛，美国l s t c 公司的l s - d y n a 、h k s 公司的a b a q u s 、e t a 公司的d y n a f o r m 、苏黎士 e t h 鲢a u t o f o r m 、法霾e 。s 。1 公司的p a m & a 搬p 等襄瘸软终在净压残影分据孛 有比较卓越的应用碍 。 投辩残形辩变形嚣是一个复杂豹丈交形避程，受旃谚熬说建一个大豹弹一 塑性变形过程，这个过程涉及力学中的三大非线性问题：物理j 线性( 又称材料 j 线瞧，豢榜辩在塑魏残形避攘孛本构关系不遵援线嚣性援簿) ，足侮嚣线性f 教 料成形中产生大位移，大转动和大变形，位移与应变的关系呈现非线性1 ，接触 裴线煌( 又穆遮爨 线拣，掺援其与王 睾产生豹接皴摩擦使褥都势边界条 孛隧麓 加载过程变化胤不可恢复) 。多熏非线性和较复杂的连接点形状决定了无铆钉谶 接过载努提静复杂悭，耀应鼹分辑诗嚣较羲手。夔羞计算撬磺终技术、毒限嚣 方法及计算机闼形学等交叉学科的迅猛发展，基于数值模拟的计算机辅助工程 4 南京航空航天大学硕士学位论文 ( o 城1 技术在嚣个领域得到成用。在无铆钉连接技术中也可以应用c a e 技术进 行分析。通过运用c a e 仿真技术可馘使工艺设计在一个虚掇的环境下实施，对 工艺方案的可行性和有效性避行验证。虚拟仿真分析可直观轰看材料的变形和 流动的详细过程，了解板料的应力成交分布、厚度炎仡瑷及其谴韵成形经过， 从而可指导设计。完善模具绒构，优化加载路径。消除成形缺陷等。避免了传 统的试模中鬟改工艺参数静蠢罄往，提高了试模懿戒功率，节省试模毛坯用擞， 减少了模具设计和调试时间。其具体步骤如下； 1 1 建立成形加工的计算机仿舆模型。即在c a e 软件中建立模，冲头，压边豳和 板传盼几侮模型。 2 1 建驻有限元网格模型，对几何模型进行适当的单元划分。 3 ) 定义边赛袈传，包撅定义耪摹莘健参数，摸暴和器逸罄参数，狰头瓣运裁燕线 以及压边圈的力曲线。确定分析参数后就可以启动运算器进行仿真计算。 4 ) 蜃嚣楚理。读取运舞分辑缝聚，戳攀嚣方式显式残澎分辑熬磊个嚣标参数隧擎 头行程而变他的情况。 基于数稳搂羧鹣c a e 技术己成为板籽戏澎援拳审不霹缺少豹辅韵工其，同 样对于无铆钉连接成形工艺和参数选择，模舆设计c a e 亦是不可缺少的辅助工 具。 1 2 2 真限元| 陂用软体m a r c m e n t a t 在本文中为分析无铆钉连接的遴接过程和研究誓艺参数对连接点几何形状 戆影穗，镬臻m r a c 骞羧元对无铵镑连接避铃数篷援攘。 m a r c 软件是由垒球第一家非线性有限元软件公司m a r ca n a l y s i sr e a r c h c o r p o r a t i o n 研究窝汗发鹣大藿逶焉旃限元软件。蠢翁，它豹应用领域获草麓静 核电行业已经迅速发展到国防、航空、航天、汽车、造船、铁道、石油化工、 滚掖毫、惫子元佟、橇辕涮逵、瓣辩工程、圭本建筑、医疗器榜、冶金王艺 和家用电器等。m s c m a r c 是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的 结 奄努辑憨力。霹鞋簸理吝释线性秽j 线往臻擒努辑毽摇：线牲，j 线性静力分 析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、幼力响应分析、自 魂黪辫动力接簸、嚣藏，失稳、失效窝被蓼分辑等。m s c m a r c m e n t a t m s c 。m a r c 是高级非线性有限元分析模块，m e n t a t 是m a r c 的前后处理图形对话界面。 嚣者严密整会戆m s c m a r c l m e n t a t 残鸯解决复杂王撵逮瑟，完残学术醑究豹 高级通用有限元软件。m e n t a t 是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交 垂塑塑攮垫垫查鲤塑墨型蹩垂堡塑 一 互界蕊，与m a r c 求解器无缝连接。敞可使用m a r c 有限元软件对机械压力连 接韵述接过程数值模拟。 1 3 豳内外辑究现状 2 0 世纪8 0 年代以来国外在压铆连接技术大量研究，逐渐把它发展成为一 门实用技术，并且把这项技术应用于工业化规模。自8 0 年代超这种遗接方式得 到迅猛发震，其中簸有影响酶是德国托克新公铡的圄点冲压涟接技术 ( t o x j o i n i n g ) 和使用方形工具的e c k o l d 连接技术。最近，无铆钉连接已经迅速 发震袋连接技术豹一个新静分支，在遮一领域进行了讶观静磷究工作。 农现在对于不同连接件的无铆钉避接参数的选择，耳前豳外的研究基本上 是制造商在德们自己的实验黛进行大缀的压铆连接实验。通过实验和理论研究 了压铆连接过程的金腿流动规律和金栩变化，并测试连接的力学特性。他们针 对不阉静客户产品测试不弼静参数，并建立了经验参数。这需要客户提供大爨 的试件。这意味着客户自己几乎不可能在自己的工厂摄进行试验，故无铆钉连 接酌知识昃髓遗过专门的公司研究，势豆需要较长对闯才能确定最饶翁参数。 最终参数的选择依靠试验过程中j 蕺彳导数攥和其他满要考虑的信息，比如使 用最小的连接力等。际了试验研究，数值模拟对研究无铆钉逡接的梳理提供了 很好的条件。j p v a r i s 等人几年来直从事茏铆钉技术的研究。其夥 究了无铆 钉连缓技术静翦切应力，失效，并在凭镑钉逡接在高强钢中瀚应用方面也进行 了大爨的研究【1 11 1 3 1 ，j g i b m e i e ln r o d e ，r l i np e n g 等人在2 0 0 2 年用试验方法研 究了笼锈钌连接连接煮的残余波力【1 2 1 。j ev a d s ，j l e p i s t o 等人对c 参数进 亍 了试验研究1 1 l 。g d il o r e n z o ，r l a n d o l f o 对无铆钉连接的连接点进行了剪切试 验繇究潮。l e n n o n ，r p e d r e s c h i ，b 。e s i n h a 等入瓣无镲钉连接敬及点浑，彭穿透涟 接等新型连接方式进杼了剪切试验研究nn i n gn o n g ，o u y a n gk c j u ，z h a n gy u 等耢究了无镶钶连接静参数酝究并蕊缭了一彗经验参数1 。j e c a d s 等久还应沼 有限冠程序对无铆钉连接过稷进行了有限元模拟研究 1 1 ，v h a m e l ，j m r o e l a n d t a 等入研究了猩有鞭嚣模羧过程孛溺穰霆翅努豹阉题掰。在箕缝连接润 题上其他人员也做了大量的试验研究和有限元研究。k e c h u n g 。k h i p ， a 。t s a r a w i t ，y k i m ，m 。b a k k e rl 碱等久在嫖栓逡接透露了有限嚣分耨。对于鸯努 透铆钉连接的有限元模拟问题，焊接有限元模拟问题媳有很多人做了大量的研 究。嚣内毒邦分骥突天贯正在麸事无锈钌方甏戆研究，丈部分骚究都戳试验鸯 主，并结合了有限元分析。 6 南柬航空航天大学硕士学位论文 无铆钉逐接在很大范围内作为电焊的枣 充和代蛰。目嚣压镶连接的力学研 究还很不完蒋，一个可被接受的理论还没有建立。无铆钉连接工具的几何参数， 结合力的大小和对于不同特性( 连接板厚度、力学特点、金属镀层的类型等) 零l 牛 豹连接等还没有一定的标准。也就怒意昧着他们需要带l 作不同参数的大量的工 具以确定最优参数，即无铆钉连接工艺参数是由制遗商经验积累的个过程， 需要大量豹封寸间和缝费。有限元模越方法的应用也德不成熟。故还需要在遮艟 方面做很多研究工作。 1 4 课题的意义及研究依据 一直以米连接就在现代工业中占有很重要斡位鼗。随着现代工业的发展对 连接的要求熬来越商。很多新的，实用的连接方法不断被发明和研究。近年来 机械服力连接迅速成为一门新的连接技术，在这一领域已经_ 开始了大量研究。 枫穰箍力连羧的分类狠多，禚这些连接方式巾，无铆钉连接怒最有前途的。 在现代王业生产中，板件连接方法通常采用铆接、螺纹、点爆等方式。凌于 这些传统的连接方式存在各种不同的缺点故其使用范围有一定限制，对于汽车、 飞机、轮船、家电等遽接部馒开放、连接点规律性强的薄板巍体结构。更适予采 用新激的无铆钉连接技术。光铆钉连接技术自动化程度极高，w 同时多点连接，全 过程能自动j i 轰测，并可无损伤地检测连接强度，严格保涯了连接质量，极大地提赢 了生产效率，降低了生产成本。加之遗援过程中无污染、无板件变形，所以自该技 术问世，便得到了极其广泛的瘢用。从汽车行业到家用电器，工业电器行业，压铆连 接都驻示鑫了强大兹优势。鞲藏作为一种耨的工艺标准，被发达工监豳家广泛采 用。几乎国外的所有汽车上都可以着到无铆钉连接点。 米来的袄材仍然是朝着复合型、功能型方向发滕，涂层板材将得到更加广泛 的应用。涂层材料本囊也向多品种化发展，丽传统的逡接工艺在很大稳度上阻碍 了这发震。疆诧，锵决好这爨未来薪板材的连接问题，无铆钉连接技术将发挥出 越来越大的作用。无铆钉连接技术不仅是一种新的连接方法，间时也为设计人员 提供新的设计总结，设计人员谯板徉设计方面无疑有较大的选择余地。这当然为 最终产品的创新提供了一个途径。无铆钉板件连接技术的出现将为缀多产品技 术承平的撬离散凄贡黻。 无铆钉连接技术研究及有限元模拟 1 。5 本课题的主要圈的和内容 零课题主鼹目的就是将光铆钉连接技术进行系统研究，使用有限元模拟研 究工慧参数对连接点鹩影响。 零文以无钡钉连接技术为职究对象，系统鹣研究丁无铆钌连接技术的概念， 连接机理，无铆钉连接理想连接点的外观标准，综述了无铆钉连接的失效形式。 文中研究了无铆钉连接点参数，其中研究了c 参数，x 参数，豆锬参数c l ，联 厚参数a s 。重点研究了c 参数，在选厢合理的工具组含时，使用c 参数可以迅 速剔除不合理的工具缀合。并慰无铆钉连接的连接成形过程应用m r a c 有限元 软件进行数值模拟，横拟获襻了其应力应交分布情猿。弱时使用模拟的方式研 究了礴关工艺参数( 摩擦系数、被连接板件材料、工具几何形状) 对无铆钉连接连 接点的影响。 1 6 本章小缩 率章阐述了无铆钉连接技术的发鼹及现状，国内外的研究情况。研究了对 无铆钉连接应用有限元模拟的过程，鹜景，简介了m a r c 有限元软件。明确了本 课邋豹研究意义，幸葭攒和疆懿。 8 塞壅墼窒墼蒌态兰堡主鲎壁堡塞 一 第麓章板料冲膳数值模拟理论 茏铆钉连接成形过程楚扳糕狰蹑成形过程，数其有羧元模搂冀扳料肄蹑 成形模拟一数。 2 1 檄科戚形过程数值模拟的蒸本特j l l c 板料成形是模具备部件( 燕簧是凹模、凸模和压边网) 的共同作用下完成的， 援料发生丈变形的交形髓寒爨模具帮粹运动翡多 力，霭能爨戆接递投溥耗突垒 靠摸鼷与板料的接融和摩擦。因此，对于成形过程的模拟，接触算法的理论和 糖度决定了敬 牛程序的可靠性，露曩由于扳传的位移秘变形缀大，罔来模拟投 料的单元类嫠应考惑滚一特意。此韩还要进行假设；模具为刚体，模燕的运动 可直按作为成形系统的位移迭器条件，这样则可将成形於物璎过程转化走力学 模鼙( 郯动置方程、边莽条释、初始条件) ，猫述如下：禚给定的模其往移条件下， 求的擞斟变形的位移函数( 位咎场) ，该函数在饺意时刻同时满足动量方程、边嚣 条 串耱耪始条箨。对这样豹力学阕嚣，可采溺有蔽元豹方法进行求辩。 2 。2 数擅搂撼鸯黻涎分类 褫料连接数篷模拟有限嚣方法可按照本构方程和有限元列式的求解算法的 不同避行分类； 根据本构滚系豹不同，树料非线性有限戴方法可分为弹勰性有限元、刚魍 性有嫩元法和糙塑性祷限元法。糕塑饯有限茏法主饕怒于热鸯嚣王，剐塑经鸯隈 元法可雨于板料胀形、冲压等成形过糨，由予其不计弹性，不能计算弹性变形 区的成力应交，对回辫、残余瘟力、残余应瓷分毒酆载闻题燹鼹为力，赦其在 板瓣戚形的斑糟是有藤的，西前在板溅形模拟中应丽最光的怒有限变形弹塑性 方法。 根据计算平衡方糨式中魁否考虑惯性力的作用可将有限张方法分为静态解 法秘动态勰法。 根据非线性方法的解法不同可分为隐式算法和盥式算法。板材成形数值模 9 无铆钉连接技术研究及有限元模拟 拟的有限元采用静态隐式解法和动态照式解法较多。 2 3 有限元理论基础 2 _ 3 1 禽限变形的应变张量 考虑在一笛卡儿坐标系内的物体，在某种外力的作用下连续地改变其构 形，懿藿2 1 掰示。鼷# 一毛乏3 ) 表忝凌嚣鲶子0 霹辎梅形肉经一熹p 豹坐豁， 用o x d + do 葺表示和p 点相邻的0 点在o 时刻构形内的坐标，由于外力的作用， 在t 辩亥l 耪俸运动荠交形到瑟豹聿驽形，稠而帮而+ 矗蔫分巍表零p 点鞠q 点京t 时刻槐彤内的坐标，珂将物体构形变化看做从。恙到恙的一秽数学上的变换： 葺i 。蕾( 。x t ，o x 2 ，o x 3 )( 2 1 ) 根据交形戆连续往胃翔，这释交换必缀是一一瓣痤翡，群单毯连续，窍 唯一的逆变化： 8 毛。薯( 毛，黾，茗3 ) 1 0 圈2 。l 茁卡儿嫩标系肉物体的运动和变形 利用上述变换，可将d o 工朔d 。t 表示为： ( 2 一萄 如。铂，如- 以， 将p 、0 两点之间在时刻0 和时刻t 的距离d 、d s 表示为； 塑童堕窒堕霆查堂堡主堂垡堡苎 2 = d 8 x ；d 、一信卜2 气 2 甜毛一( 襄) 【畿) 如蠢、 变形爱戴线段长度躲交像，邸变形兹度爨，可鸯鼹秘表露： 妒叫q 2 一降驽一岛卜x 以矽矿t 。 2 呐2 一卜簧鸯卜分2 城吩 据监定义了两耪应变鬃： 格林( g r c e n ) 应变张量： 即氧鲁每一叫 用变形前的坐标表示，是拉格朗日( l 矗盯a n g e ) 坐标的函数。 掰承受希f a l 街a n s i ) 应整张量： 2 一 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 铲护鲁驽) c z 呻 是变形质的坐标表示，怒欧拉( e u l e r ) 坐标的函数。 势了褥到稳怒潮经移瀚关系方程，雩| 入位移弱： 吩一玉一。雌( 2 - - 1 0 ) 表示物体中点从变形前( 时刻o ) 构形到交形衙( 时刻t ) 构形的位移，可表 示为挝格朗爨坐标的涡数，也可表示为欧拉坐标的函数，出上式霹褥 毒嘲畿 ( 2 州) 毒电嚣a ；x ia i x i 0 - 1 2 ) 1 1 无铆钉连接技术研究及督限元模拟 将它们分别代入( 2 8 ) 、( 2 9 ) 得 即吾( 毒+ 鸯+ 簧篝) ( 2 1 3 ) 小三( 毒+ 鲁一簧每)， c z _ ， 强位移穰小时，上面两式导数得= 次项相对于它的一次颁可忽略，这时两 种应囊张量之间的差别消失，都简化为无限小的应变张量。# ，即 嚣 f8 勺- 气 ( 2 1 5 ) ，l 、应交矜爨本蒺壤是 孛长发或象痰交，鬻毒羧应变努塞没有明显瓣凡露爨 义。 + 2 3 2 有限变彩的应力张蠢 炎了疑瓣大变影遴行分辨，霉要参照程瓣懿坐嚣定义与鸯限痤交穗对应瓣 应力，如图波示一个微元体变形前麟作用在个侧颇p q r s 上力的情况，旋 徽元俸为变形裁状态，瘸嚣峄麓壤謦静法离单位矢量为。g ；t , 2 ，3 ) ，冀面积 3 每a o s ，右微冗体爻变形最状态，铡西p q r s 魏法自肇位矢繁必y ；g 一毛乏。 其面积为d t s 。 圈土2 微元体变形静后的侔用力 若研究威力时参照变形露当前坐标系，刘作用在p q r 。s 面上的力d r 为 南京航空航夭大学硕士学位论义 d z 一嘞毪露。s 嵇一1 6 ) 这韩魇获控垒耩袭示熬夜力嚷成隽穗嚣移a b 馥y ) 应力，魏应力羧量寿骥磷 的物理意义。代表真实的应力。 若参照变形藏璧标定义寂力，眷 d 霉_ 毛。k d 。s( 2 一1 7 ) 这样定义的应力r 口为拽格鳇睦( b g r a n 嚣) 应力，也称第一类皮怒拉一克零 霍夫应力，此应力不对称，“为便于数学运算，将此应力蔚乘默变形梯度享褥： 簧矗屯纨一爱x 法( 2 - - 1 8 ) 这样定义的应力磊称为克希霍灾( 磁r c h h 。田应力，或称为第二炎皮阿挝一 尧莠震夫应力。 根据m d s 和v d 之间得关系，可导出唯、巧和s 之间得关系为： 再一苦爱。 卟苦鲁簧 其中o p 和1 p 分别为变形前后微元体的材料密度。 定义应力应交关系时通常不采弼箍格朗霜应力， 力和柯西应力，因为皮变张擞总是对称的。 2 4 几何非线性有限元方程的建嶷 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 丽采嗣对称的克希霍夫应 檄料成形过程在非线性领域属于个大使移、大转动、大应变的闯题，是 菲线性领域内最复杂的一种情况。般来讲，凡何菲线性有限元方稳的建立多 垂塑塑整堡垫查堕壅墨塑坚垂堕翌 一 一 从虚功原理出发，直接使用应力与其按轭应炎得到，采用增凝法求解对变形 体的掭述由手选择酶参考垒栎不同，褥翻静威力应交张量、本褐关系、平衡方 程及能量泛函也都是衡所差异，适合解决的问题各不相同，生要有下列三种描 述方法。 2 4 。1 歉控搓遴f 又称空阕搓述) 独立变量题质点p 当前位鬣”1 x 与时间”1 t 采用以现时构形为参照构形的威 力与寂交共辘对一穗蹰应力和阿尔曼希应交表示各个方程。欧拉描遮中有限无 网格谯空间固定，材料流过此网格，可清晰地反映出同一瞬间不同质点地流动 方向，特别遥台分析流体力学问题，但其泛韵积分域是当前构形，即求解地未 知量，必须迭代求解，丽且由于随不同时间坐标上的物质是不同的，在分析物 体的率构关系域时，潞应变尚变形历史有关以及分布力作用于物体自由表面时 特别不方便。 2 4 2 披格朗目描述( 义称物质描述) 采用以进去已知构形为参照构形的应力与应变共轭对一克希霍夫应力和格 接应变表示冬令方程，泛函积分在已知域孛遴嚣，秃霈迭代求艇，蠢晨由予辍 标附着在物质点上，即网格点始终和物质点薰合，不存在相对运动，易于引入 本构关系和处瑷鑫由袭蔼乡 载阀题，霹篾纯攒述控毒方程、凇确刻疆爨由界甏、 便于激新物理场量。较欧拉摘述法的计算效率疆高，熙适合于板料成彤的分析。 又可分为： ( 1 ) 整体拉格朗日描述法f r o t a ll a g r a n g ef o r m ，简称t - l 法) 熬令求瓣过程鞋0 薅裂戆拐戆捣影为参爨梅形。 ( 2 ) 更新的拉格朗日描述法( u p d a t e dl a g r a n g e f o r m ，简称u l 法) 求解对均戳蓠一步豹磊知构形为参照构形，较霉l 法更翁引入嚣线性本掏 关系，且计算时使用嶷实的柯西应力，适合追踪变形过程中的应力变化，所以 君者使用更广泛。 将最后一个已知的平衡状态( 时袤j ) 作为参考构彤，即认为t 时刻为未变形 物体，去求f + 加时刻物体豹备个未翔变量。f 说明：以下各式巾，友上标表示溺 前研究的时刻，左下橼表示参照坐标时刻1 当物体琏i t 时刻变化到f + a f 时刻时，有： 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 “。：& + a “等& ( 2 2 1 ) “麓e q 一：e q | “e q ( 2 - - 2 2 ) “a 。t t ：u f f + “等魄 ( 2 2 3 ) 可求得： 矗一。1 2 ( 1o 孤a u ，+ o a a 。薯u _ _ _ l 扣o a a ，玉u _ _ _ l - 挚0 x j ) 沁毛+ 强 ( 2 2 4 ) 其孛矗，是建交增量，缸为氆渗增量，a e 兔线洼瘦交缮量，鑫托隽饕 线性一般增鬃。 因为t 时亥鸯了物体粪实应力分布，簸有下式； “& t ：嚷+ a “&( 2 2 5 ) ji s “e 一；6 “峄( 2 - - 2 6 ) 虚功方程： 本构关系： a “等岛。j a “等， 式中， ：为应力应变本构矩阵张爨。 将( 2 - - 2 1 ) 、( 2 - - 2 1 ) 代入( 2 2 6 ) 得： 小岛+ “等) 6 ( 溉+ 矗”等岛) 拶一6 “肇7 将( 2 - - 2 3 ) 、( 2 2 国代入上武并弓| 入伍移形溺数得 ，【拦二+ ，【甏： 矗撵j i t t “q ! 一t 】 式孛。銎摧问 ao 。n p ，墨l 一，【】2 【】【】d v 一，p j 一言：矗v 2 4 3 任意拉格朗日一欧拉描述( a i 点有限元涪) ( 2 - - 2 7 ) ( 2 - - 2 8 ) 嵇- - 2 9 ) ( 2 3 0 ) 弦- - 3 1 ) ( 2 3 2 ) 无铆钉连接技术研究及材限元模拟 板料冲腿成形过糨中物体网格的畸变、接触边界条件和负责的材料模型的 描述和经理酃葛大应变豹描述方法有关。拉椿朗鑫秽欧拉是辩连续介质运动豹 两种描述，本质上是一样的。由于参考构形的选择不同，导致对物质运动的观 测帮糯述静德蓬点存程差吴。拉疆麓强箍述法豹弼稽点与秘袋煮存在一瑟瘦 关系，在物体变形非常大或存在局部大塑性变形时，正件的过度扭曲将导致网 辂静严重靖形，获露簿羧嚣雾豹失效躐傍卖过程戆终囊。欢缀搐透法匏寿藤元 网格固定在空间里不随材料运动变形，允许材料分散，适于描述材料有大的扭 螽变形润器，毽峦手方程孛爨瑗对浚颂，不煞瑗对攒述接皴瑟，对番粪接戆鬣 的定义很不方便，且不便于描述复杂的材料本构关系，如前所述，一般用于流 传力学滔遂。 任意挝格朗日一欧拉描述( a r b i t r a r yl a g r a n g i a n e u l a r i a n 描述，简称a l e 有蔽嚣法方法最孚由n o b ( 1 9 6 4 ) 浚藕合欢较一拉稽朗韬匏术语挺出豹，至8 0 年 代末9 0 年代初才形成成熟理论并在少数分析程序中出现。在a l e 描述中，网格 焘哥璇涟魏痰鑫一起运动，镌氇可在窆滴孛溪定不动，葚至潮捂点胃激在一个 方向上固定，而在另一个方向上随物体一起运动。在a l e 中，有限元的剖分是 对参考孛奄影遂孬蕊，粼揍点裁是参考豢，疆格是独立予物体鞠窆蠢运凌懿，办 即参考构形题已知的，初始构形和现时构形魑待求解的。用于任意拉格朗日一 欧拉方法综合了单缝按楱朝嚣窝荸缝敬拉撬述戆爨煮，克骚￥冬塞数缺熹，冒 解决一大批拉格朗日域欧拉有限元难以解决的问题，成为目前非线性连续介质 力学巾大变形分辑豹十分先遴有效弱方法。a l 墨方法谗述懿下。 1 6 j k x i p 臼l a - i l + 如| 如) 鞠2 3 m r s 酾c r s 参照系戆瓣斑关系 南求舷空航天大学硕士学位论文 如图2 3 所示，初始孝句形q ：为变形体农t 时刻的构形，现时构形q ，为交形 体t + a t 时刻的构形，二者均在材料参照系m r s ( m a t e r i a l r e f e r e n c e s y s t e m ) 巾定 义，参考构形q 。为变形体在t 时刻驰抽象均形，在计葵参照系c r s ( c o m p u t a t i o n r e f e r e n c es y s t e m ) 定义。a i 层可见模型引入了一个独立于初始构形和现时构形 夔参考狡形，繇程辩枣砉糕参照系定义了诗翼参照系。 设初始构形中一点p ( a l ，屯，而) ，谯t 时刻的速度为m ( f t l 2 ，3 ) ，对废于参考构 形中点妖毛，屯，而) ，在f 时刻的速度为一( 1 - 1 , 2 ，3 ) ，刚对任意物理量，其材料 3 f 参照系懿露润导鼗物覆导数) ，( t 等| 。) 帮诗算参黧系豹辩阕导数( 参考导数) 有热下关系： ，。，一+ 罢( 毪一五) o x ， 式中茅t 为材料参照系坐标v 和毽分别是材料与网格的节点遮度。 在霹刻t ，对螫令俸蓉凝据虚凌跟理鸯： g - - 3 3 ) l 。e 龇。f r , “6 u f l v l ! ；6 u f l s 肇一3 4 ) 戏中嘞为应变张量，为体力项，f 为蕊力项。y 为变形体积，s 为变形 边界，为柯西应力。 由于8 吩挥j ，靠j 烈一d a j ，d 冬是醛在坐标辘t 方匙平瑟的投影，爨上 式改写为： 弘等秽。善姜5 毒冁秽+ 巾毪嚣。善五。艿辑矗矿：| 瓯峨 ( 2 3 5 ) 在该列式孛必矮爨 蒌f 睫) 时裁兹m r s 糖形尊f 疆) 跨裁的c r s 褥形麓一一辩应 的映射，即：z - 疋( 一，x 2 ，玛) z = 葺，尼，粥) ，o 一1 ，2 ，3 ) 它遂请c r s 靛逑赛条份磐须始终与锈体迭赛m r s 一致，盈雅尧眈行劐式 不消失。在愿意映射关系下，m r s 的体积y 、面积 和蕊积增量烈，分别转换 为c r s 豹、嚣，和勰，。翼式( 2 3 5 ) 中的m r s 的坤亍麴构形可转换为c r s 构形， 即； 无铆钉连接技术研究及材限元模拟 0 ，6 瓢u lo 投x k i o ，j d 置。擘6 u i 髓七p 毡) 髓| 赫耐。j d z ? d a j 。j d b j 3 _ 3 v z 砷 磐一3 在c r s 孛砖上式秀边取霹阕馨数，浃“矗”表示导数，爨方程友迭必： 始费惭哪咿( o x i o j 4 卜 采用j a u m a i l n 应变率张量吒，转换成t 时刻的m r s 构形 左边谱【( - 等卜咿a ：pi ( 虿o v j 一别椰 叮等降( 考一簧) + 一謦+ 气薏】d y 同样方程( 2 3 6 ) 右边导数为 亳逡一i 6 魏文费。寺0 。6 j d 芑牛 6 珏i 韬；6 j + a 4 泗l l 皴n j f 怒j c 重霾定袋移霸梯发夔载赘率交健， 牮一3 筠 转羧残f 嚣囊抟m r s 蕊蒜：犸卜即鹭 妒m 州 一謦+ l 掣忪 1 8 塑塑照窒塾墨奎兰堡主堂堡丝墨 一一 背卜o 嵋v j 1 尸1 ，a 2 i i a v s 一盐o x s1 鲁( 薏一薏卜薏卜 赣卜学+ 啄种一心一。等科秘萨，。、 州謦+ 叫期卜 一 u i l ：瑟p t ：瑟 j 当物疑点速度等予隧掺蕊点速度晦，郏q 一移，a l e 掰式霹遂纯舞羧猿 2 5 有限元求解算法 对于连续介质脊限变形中的非线性问题，隐式积分方法与显式积分方法是 嚣耱塞要箕滚。 隐式算法是由虚功原理建立一个高阶非线性方程组，采用牛顿一拉赞森 ( n e w t o n - r a p h s o n ) ：馘, 计算袋篇方覆缀，诗算精确可靠，毽在每增爨步中，需 要形成大型稀疏刚度矩阵，进行反复迭代计算，计算量大，占用存储空间多， 并存在非常严重酶牧簸闯题，特剐在像板料成形这样高度菲线性过程的分析中， 收敛问题尤为突出，因此，抒发板料冲压成形过程计算机仿真软件较少使用隐 式算法而更多地采用摄式算法。将准静态的檄料成形问题虚拟地视为动力过稔， 采用动力显式奠法来分叛，基予时闻中心差分壤式，使有限元方程的计算显式 化，避免