多铆钉自冲铆接头力学性能机理

ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ
ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＲ
ｊｏｉｎｔ
ａｒｅ
ｔｈｅ ｐｕｌｌ—ｏｕｔ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＳＰＲ ｉｏｉｎｔｓ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｉｖｅｔｓ ｉｏｉｎｔｓ ｈａｖｅ ｆａｖｏｒａｂｌｅ ｓｔａｔｉｃ
万方数据
・
１４９０
・
吉林大学学报（工学版）
第４５卷
伸模块，拉伸速度为５ ｍｍ／ｍｉｎ。由于试样承受 拉伸剪切载荷，试验中使用垫片，避免试验过程中 产生扭矩。垫片尺寸为３０
ｍｍ×４０ ｍｍ×２ ｍｍ，
服从正态分布，且试件组数据基本符合各自的置 信区间，即为有效数据。由图２和表１可知：两种 接头的静力学性能可重复性和稳定性很高，为了 清晰地对比分析两种接头的特性，在两种接头中 各选择一个最接近均值的试验数据，如图４所示。 以ｍ—ｏ接头为例，特征化载荷一位移曲线，曲线被 点线大致划分为ａ、ｂ、Ｃ和ｄ四个区域，曲线与短 点线的交点处为ｍ—ｏ接头的最大载荷所在位置。
摘
要：以３颗铆钉连接的５０５２铝合金自冲铆接头为对象，通过试验的方法研究多铆钉自冲
铆接头力学性能机理。获得了ｍ—ｏ自冲铆接头（简称ｍ—ｏ接头）和ｍ—ｉ自冲铆接头（ｍ—ｉ接头） 的静力学和疲劳试验数据，选择正态分布和二参数威布尔分布检验数据的有效性，通过最小二 乘法获得疲劳寿命最佳拟合直线和疲劳载荷一疲劳寿命曲线二参数幂函数方程。结果表明：接 头静态和疲劳失效形式分别为下板被拉出和下板断裂。铆钉分布结构对接头静强度、变形能 力、能量吸收能力、疲劳寿命及它们的稳定性均有影响。ｍ—ｉ接头静力学性能良好，ｍ—ｏ接头整 体具有良好的疲劳性能。疲劳测试中，铆钉分布结构会导致首要和次要承载顺序的产生，疲劳 断口为首要承载顺序所在位置。 关键词：材料合成与加工工艺；多铆钉；疲劳寿命；变差系数；断口分析 中图分类号：ＴＧ４４７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—５４９７（２０１５）０５—１４８８—０７
试件有效长度为１２０ ｍｍ。试件组载荷一位移曲线 和失效模式分别如图２和图３所示。
Ｚ ≤
在此定义接头的刚度为载荷与位移的比值，即为 载荷一位移曲线的斜率。
逗 鄹
２０
，
位移／ｍｍ
１５ Ｚ 芒
ｌ
匠
பைடு நூலகம்
图２载荷一位移曲线
Ｆｉｇ．２ Ｌｏａｄ—ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｃｕｒｖｅｓ
糖 辅
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５
０
位秽ＩｌｌＩｌｌ
万方数据
第５期
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
邢保英，等：多铆钉自冲铆接头力学性能机理
・１４８９・
ｏｆ ｒｉｖｅｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｌｏａｄ
ｂｅａｒｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ．
１１
ＭＰａ。通过载荷一行程曲线在线监控铆接质
量，保证后续试验中试件的可靠性。
：》
．
昌：
一
１１０
ｍ．ｏ接头
甲占
铆钉
图１试样几何尺寸
Ｆｉｇ．１
Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
２静力学测试
２．１静力学试验 在ＭＴＳ
Ｌａｎｄｍａｒｋ
１００试验机上进行静力
学试验，两种接头每组各８个试件。选择组件拉
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｒｉｖｅｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ；ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ
ｖａｒｉａｔｉｏｎ；ｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ
０
引
言
作条件（尤其是汽车和航空器中），本文以两种铆 钉分布结构的３颗铆钉５０５２铝合金（ＡＡ５０５２）自 冲铆接头为对象，进行静力学和疲劳试验，疲劳试 验中采用三角波形载荷加载，从而分析多铆钉自 冲铆接头的力学性能机理。 １
ＤＯＩ：１０．１３２２９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｄｘｂｇｘｂ２０１５０５０１７
Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｐｉｅｒｃｉｎｇ
ｒｉｖｅｔｅｄ
ｊ ｏｉｎｔｓ
ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｉｖｅｔｓ
ＸＩＮＧ Ｂａｏ—ｙｉｎｇ，ＨＥ
（Ｆａｃ“ｈｙ ｏｆ
Ｘｉａｏ—ｃｏｎｇ，ＷＡＮＧ
ｗａｓ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
ｂｙ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ
ｓｔａｔｉｃ
ａｎｄ
ｆａｔｉｇｕｅ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｍ—ｏ ＳＰＲ ｊｏｉｎｔ（ｍ—ｏ ｊｏｉｎｔ）ａｎｄ ｍ—Ｉ
ＳＰＲ ｊｏｉｎｔ（ｍ—Ｉ ｊｏｉｎｔ）ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗａｓ ｔｅｓｔｅｄ ｂｙ ｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｗｏ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ
图４载荷一位移曲线和刚度一位移曲线
Ｆｉｇ．４
Ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ－ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｃｕｒｖｅｓ
由表１和图４可知：ｍ—ｉ接头静力学性能优 于ｍ—ｏ接头。ｍ—ｉ接头平均最大承载能力比ｍ—ｏ 接头高４．４９％；虽然两种接头最大载荷稳定性良
图３静态失效模式
Ｙｕ—ｑｉ，ＤＥＮＧ Ｃｈｅｎｇ—ｊｉａｎｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ
６５０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｅｌｆ—ｐｉｅｒｃｉｎｇ Ｒｉｖｅｔｅｄ（ＳＰＲ）ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａＩｉｏｖ ５０５２ ｓｈｅｅｔ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｒｉｖｅｔｓ
ａｒｅ
ａｌｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｖｅｔｓ．Ｔｈｅ ｍ—Ｉ
ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｍ—ｏ ｊｏｉｎｔｓ
ｈａｖｅ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ
ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｖｅｒａｌｌ．
ａｒｅ
Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ，ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｏａｄ ｂｅａｒｉｎｇ
第４５卷第５期
２０１５年９月
吉林大学学报（工学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．４５
Ｎｏ．５
Ｓｅｐｔ．２０１５
多铆钉自冲铆接头力学性能机理
邢保英，何晓聪 ，王玉奇，邓成江
（昆明理工大学机电工程学院，昆明６５０５００）
Ｆｉｇ．３
好且比较接近，然而ｍ—ｏ接头的稳定性更加突 出。ｎ卜ｉ接头的平均变形能力比ｍ—ｏ接头高 １５％；与最大载荷稳定性特征相似，ｍ—ｏ接头仍然 显示出更加良好的稳定性。最大载荷和良好的变 形表明ｍ—ｉ接头在失效前可吸收更多的能量。将 载荷一位移曲线图片导入ＡｕｔｏＣＡＤ软件中实现 其横坐标１：１显示，获得接头载荷一位移曲线与 横坐标系所围成区域的面积，根据以下关系式计 算接头的能量吸收值： ｙ—Ｗ。。ｉ。Ｓ－。。。１ ｒｄｉ。。。。ｚ
表１最大载荷及位移统计量
Ｔａｂｌｅ １ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃ ｏｆ ｍａｘｉｍｕｍ ｌｏａｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
Ｆ
分别表示ｍ—ｏ和ｍ—ｉ接头的最大载荷，ｍ－ｏ—Ｄ和
式中：Ｓ。甜ｉ。。。为缩放后整个坐标系所围成区域的 面积；Ｗ。。ｉ。为坐标系中横、纵坐标单位刻度所围成 面积所代表的能量值；ＬＴ为曲线与横坐标系所围 成区域的面积。 计算表明，ｍ—ｉ接头的缓冲吸震能力比ｍ—ｏ 接头高２４．９５％。 由图４观察可知，试验开始后很短的时间内
检验结果表明：试件组最大载荷及位移数据
（变形量在０．１１ ｍｍ以内），区域ａ中两种接头的
万方数据
第５期
邢保英，等：多铆钉自冲铆接头力学性能机理
‘１４９１・
载荷发生交叉且刚度呈现出波浪状变化，这可能 是夹具机械调整所致，此时载荷和刚度不能代表 接头的特性。当进入稳定阶段后（区域ｂ），两种 接头的载荷线性上升。ｍ－ｉ接头的最大初始刚度 比ｍ－ｏ接头的大３．０８％；随着载荷的增加，两种 接头的刚度均以较快速率下降，当达到接头最大 载荷时，ｍ—ｏ和ｍ—ｉ接头的刚度较其最大初始刚 度分别下降１７０．８０％和１４１．０１％。显然，两种接 头在达到最大载荷后载荷均保持了一段时间，但 ｍ－ｉ接头的保持时间更长，促进了ｍ－ｉ接头变形量 的延长。随后，在区域Ｃ中接头载荷和刚度缓慢 下降，ｍ－ｉ接头的载荷和刚度下降速率均小于ｒａ—Ｏ 接头。最后，在阶段ｄ中铆钉与下板之间仅有的 局部连接受到破坏，接头失去承载能力，载荷急剧 下降，此时两种接头的刚度也迅速降低，且二者的 降低速率几乎相同。这些结果与试验过程中接头 的失效机制有关，通过后续对失效模式的分析进 行说明。 通过对试样失效过程和图３中失效模式的观 察，发现两种接头的失效过程和失效模式相似。 决定自冲铆接头剪切强度的因素是板材接触面之 间的摩擦力和铆钉一板材之间形成的内锁结构 力［４］，所以两种接头显示出相似的失效特征：①失 效过程中，上板靠近自由端部的铆钉先失效，之后 内侧的铆钉失效；②上板靠近自由端部的铆钉从 下板中拉出，铆钉头部轻微下陷；内侧的铆钉未被 完全拉出，铆钉头部发生严重下陷；下板内锁结构 “碗”边缘发生膨胀，且“碗”底出现圆周状破裂。 由于连接结构不同又呈现出明显差异，导致 两种接头产生了不同的抗剪切强度、变形量和稳 定性。试验初期，随着变形量的增加，板材发生弯 曲，接头中上板靠近自由端部的铆钉受到“翘曲倾 斜”作用，其内锁结构被破坏，之后板材接触面之 间的摩擦力和部分内锁结构力提供阻力。根据该 变形特征可知，ｍ—ｏ接头最大载荷由上板靠近自 由端部的两颗横向铆钉提供，随后另外的一颗铆 钉承载至失效。而Ｈ卜ｉ接头中上板靠近自由端部 的一颗铆钉很快失效，当内侧两颗横向铆钉承载 时达到最大值，因此提升了塑性变形能力以及延 长了位移变形量。由图３可知：ｍ—ｉ接头下板边 缘变形程度更大，还观察到该接头下板两“碗”底 处破裂程度不同；而ｍ－ｏ接头最后阶段的力学性 能由一颗铆钉所维持，因此它具有良好的稳定性。
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
收稿１３期：２０１３—１２一０６． 基金项目：国家自然科学基金项目（５０９６５００９）．
作者简介：邢保英（１９８６一），女，博士研究生．研究方向：薄板材料连接新技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｂｂ０８０８＠１６３．ｃｏｒｎ 通信作者：何晓聪（１９５５一），男，教授，博士．研究方向：薄板材料连接新技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｃｏｎｇ＿ｈｅ＠１２６．ｃｏｒｎ
自冲铆技术是近年来迅速发展起来的一种新 型连接方法，因其独特的优势成为最有潜力的替 代连接技术［１’３］。自冲铆采用冲头将一个半空心 铆钉压人板材，刺穿上层板料，在凹模作用下铆钉 管腿在底层板料中翻开形成铆扣，获得机械内锁 结构从而将上板和下板连接在一起。与传统铆接 方法相比，自冲铆可有效连接多层、有镀层的同种 或异种材质和厚度的板材及难以采用点焊连接的 板材。自动化程度高、易实现批量现代化生产，且 过程在线监控，无需表面预处理、无需预打孔操 作、操作环境安全友好、低能耗。目前一些汽车制 造商已开始将自冲铆技术应用于生产中。 Ｃａｌａｂｒｅｓｅ等ｎ１研究了自冲铆接头在腐蚀环境下 的腐蚀特征和静强度。Ｆｕ等［５］研究了铆接压力、 累积疲劳加载路径和预循环对６１１１铝合金自冲 铆强度的影响。Ｓｕｎ等Ｈ１研究了自冲铆受力状 态、上下板厚度组合、材料组合、铆接方向和粘接 剂的使用对自冲铆疲劳特性的影响。Ｈｏａｎｇ 等口１从工艺角度分析铆接过程中预应力和自然时 效处理对铝制铆钉自冲铆接头静态特性的影响。 Ｈｅ等［８。１ ０］从铆接质量评估角度采用变差系数法 预测自冲铆接头的强度和分析工艺参数的影响。 此外，Ｌｉ等［１１‘１ ２３研究了双铆钉自冲铆接头中边缘 距离对接头质量、静力学特性和疲劳特性的影响， 其实质为接头的结构优化研究。Ｈｏａｎｇ等ｎ３１基 于铝质铆钉对多铆钉自冲铆部件进行了静力学试 验和相应的数值模拟，主要针对部件整体的特性， 研究了不同加载条件下多颗铝质铆钉连接的Ｔ＿ 型自冲铆部件的静力学性能。 目前，自冲铆的研究主要集中于单铆钉自冲 铆接头，有关多铆钉自冲铆接头的研究较少。现 有的多铆钉自冲铆接头的研究目标在于优化接头 尺寸［１卜”］，或是研究部件整体的特性［１ ３｜，不能很 好地说明多铆钉自冲铆接头的力学性能机理。自 冲铆疲劳性能的研究中均采用理想的正弦波形的 载荷加载方式［５’６’１ ２｜。为分析多铆钉自冲铆接头 承载机理，考虑到自冲铆连接技术在应用中的工
（１）
Ｓｔａｔｉｃ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ
２．２试验结果及分析 由图２可知：各试件组最大载荷及位移数据 比较稳定，选择正态分布来检验数据。使用 Ｍａｔｌａｂ拟合优度测试命令检验试件组最大载荷 及位移数据是否服从正态分布，以９５％的置信度 估计置信区间检验数据的有效性。试件组最大载 荷及位移统计量见表１。表１中ｍ—ｏ—Ｆ和ｍ—ｉ ｍ～ｉ Ｄ分别表示它们的最大位移。
Ｗｅｉｂｕｌｌ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｂｅｓｔ—ｆｉｔｔｉｎｇ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｌｉｎｅ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｔ ａｎｄ ｔｗｏ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｐｏｗｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｏａｄ—ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ
ｃｕｒｖｅｓ
ｗｅｒｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｂｙ
试件制备
被连接件为２ ｍｍ厚的ＡＡ５０５２板材，相同
规格的试样分别为两种接头形式：ｍ—ｏ自冲铆接 头（简称ｍ—ｏ接头）和ｍ－ｉ自冲铆接头（ｍ－ｉ接 头）。采用Ｂｏｅｌｌｈｏｆｆ公司ＲＩＶＳＥＴ
ＶＡＲＩＯ—ＦＣ
型自冲铆设备，铆钉为该公司生产的冷镀锌钢铆 钉，凹模为平底模具。试样、铆钉和凹模几何尺寸 如图１所示。铆接过程中采用定位块进行铆接点 定位、试铆。观察检验铆接件子午面，确定铆接参 数：预紧压强５ ＭＰａ，铆接压强１８ ＭＰａ，整形压强