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连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响分析 沉头铆钉

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沉头铆钉(连接板厚度对沉头铆钉连接强度影响的分析)
铆接是飞机机体制造的传统工艺，也是目前机体结构的主要连接形式 。具有工艺简单、连接牢固可靠、检查方便、质量稳定等优点 。
常用的铆钉有平锥头、半圆头、扁圆头和沉头 。埋头铆钉用在零件需要光滑的地方，不允许铆钉突出表面，如机翼、机身、尾翼的蒙皮表面 。
埋头铆钉也广泛应用于飞机蒙皮的对接结构 。一般用多排铆钉连接 。
比如飞机典型的蒙皮对接结构就是双排埋头铆钉框上的对接(见图1) 。
一般在计算结构设计荷载时，认为连接蒙皮与框边的双排铆钉只通过剪切传递蒙皮荷载，它们是均匀剪切的，即设计荷载是双排铆钉单次剪切容许值之和 。
试验中发现连接蒙皮(厚度为1.5毫米)对接处的埋头铆钉(直径为5毫米)损坏较早，损坏载荷为设计载荷的93.5% 。试件的损坏形式如图2所示 。
【连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响分析 沉头铆钉】图1飞机典型蒙皮对接形式
图2蒙皮对接试件失效模式图
从载荷传递的角度来看，理想情况下，蒙皮对接处的铆钉只承受面内剪切载荷 。但在实际加载过程中，蒙皮对接处的铆钉或铆钉孔在承受较大载荷后，会出现不同程度的塑性变形 。
但当蒙皮厚度较薄时，铆钉孔被埋头孔大大削弱，铆钉孔挤压面积较小，导致铆钉孔变形(见图2) 。
较大的变形导致铆钉轴线倾斜，使得铆钉可能产生一部分沿轴线方向的拉伸载荷 。如果铆钉同时承受拉伸和剪切载荷，连接强度可能会受到影响 。
因此，参考文献[5]中提到最大沉头铆钉沉头深度应保证柄部凸出部分的厚度不小于0.254mm，且不小于待连接沉头面厚度的1/3 。如果孔的挤压面积减小，铆钉的连接强度可能会降低 。
以上分析定性地说明了铆钉连接强度可能受到连接板厚度的影响，但缺乏定量的数据分析以及板厚对铆钉连接强度的影响程度 。
由于铆钉从剪切到破坏的过程涉及弹塑性、接触、大变形等复杂的非线性问题，一般的理论方法无法准确分析其加载过程 。
因此，采用非线性有限元方法模拟铆钉的加载过程，模型中综合考虑了弹塑性、接触、几何大变形等非线性因素，尽可能真实地模拟铆钉的受力状态 。
一方面考虑了沉头铆钉对铆钉孔刚度的影响，比较了沉头铆钉和平锥铆钉的载荷和变形 。另一方面，考虑到板厚对沉头铆钉载荷的影响，比较了不同连接板厚度的沉头铆钉的载荷和变形，最后进行了强度分析 。
有限元模型简介
根据飞机结构中典型沉头铆钉和蒙皮的设计参数，并考虑与典型平锥头铆钉或与较厚蒙皮连接的沉头铆钉的比较，利用ABAQUS有限元分析软件建立了三组单钉平搭接结构的有限元模型 。模型的相关参数见表1 。
沉头铆钉连接的有限元模型如图3所示，平锥铆钉连接的有限元模型如图4所示 。铆钉直径5mm，沉头深度1.08mm，单剪允许值4805N 。将弹塑性本构关系添加到模型材料卡中 。铆钉材料为2A10铝合金，蒙皮材料为2A12铝合金 。材料的具体性能参数见表2 。
表1有限元模型参数
表2材料特性
图3埋头铆钉连接的有限元模型图4平锥铆钉连接的有限元模型
平搭接结构施加单一拉伸载荷，下板左端固定，上板右端施加4805N的拉伸载荷，同时限制板的面外变形，消除偏心效应 。
同时建立钉筒与钉孔、钉头与皮肤、皮肤之间的接触关系 。将钉柱或钉头的接触力在相应方向上投影，可以得到每个钉的剪切载荷或拉伸载荷 。
考虑到加载后期结构的大变形，模型中几何非线性开关设置为开启状态 。
有限元分析结果
根据有限元分析结果，三组有限元模型的等效应力云图如图5所示，等效塑性应变云图如图6所示 。
根据图5和图6，模型1铆钉加载后的应力集中区域在铆钉沉头附近，等效塑性应变为0.316 。模型2和模型3铆钉加载后的应力集中区在铆钉剪切面附近，等效塑性应变分别为0.268和0.225 。可以看出，模型1的沉头铆钉最早会被破坏 。
图5等效应力分析结果
图6等效塑性应变分析结果
图7示出了三个模型铆钉的剪切载荷随外加载荷增加的比较结果，图8示出了三个模型铆钉的拉伸载荷随外加载荷增加的比较结果 。图中的载荷系数是模型的当前施加载荷与最大施加载荷的比值 。
可以看出，三种模型的铆钉的剪切载荷相当，基本上是线性增加的(蒙皮的部分载荷由搭接区域的摩擦传递) 。
在低载荷下，三种型号铆钉的拉伸载荷基本相同 。载荷增大时，由于1.5mm板沉孔刚度低、变形大，铆钉轴线明显倾斜(见图5、图6)，导致沉孔铆钉受拉严重，拉伸载荷明显高于其他型号 。
图7铆钉剪切载荷分析结果
图8铆钉拉伸载荷分析结果
铆钉强度分析
根据有限元分析结果，铆钉不仅受剪而且受拉，因此有必要进行拉剪组合强度分析 。拉剪复合的相关方程为:
(1)
安全裕度M.S .的计算公式为:
(2)
(3)
(4)
式中:FT为钉子的拉伸荷载；[FT]为钉子的容许拉伸载荷；FS是钉子剪切载荷；[FS]是钉子的容许剪切载荷 。
分析了拉剪复合公式 。图9显示了当拉剪复合裕度为0时RS和RT之间的对应关系 。可以看出，随着铆钉拉伸载荷的增加，相应的极限剪切载荷会降低，即铆钉被拉后，铆钉搭接结构的承载能力会降低 。
图9 RS-RT图
平头铆钉许用拉伸载荷为2449N，沉头铆钉许用拉伸载荷为1837n[6]；两者的容许剪切载荷均为4805N 。
根据图7和图8，结合拉剪复合计算公式，可以得到拉剪复合余量与载荷系数的对应关系，如图10所示 。可以看出，当埋头铆钉(1.5mm厚)的拉剪复合余量为0时，对应的载荷系数约为0.932；
埋头铆钉(2.0mm厚)拉剪复合余量为0时，载荷系数约为0.951；当公铆钉(1.5毫米厚)的拉剪复合余量为0时，载荷系数约为0.997 。可以看出，连接板的厚度对沉头铆钉的连接强度有明显的影响，而对平锥铆钉没有影响 。
根据试验结果，断裂沉头铆钉的试验载荷为设计载荷的93.5%，强度分析结果约为93.2% 。理论分析结果与实验结果吻合较好，表明理论分析方法可用于下一步研究 。
连接板厚度的影响分析
根据以上分析，沉头铆钉的连接强度明显受到连接板厚度的影响，因此采用上述有限元法和强度计算方法分析影响程度 。分析中采用了几种典型的连接板厚度进行研究，拟合得到了埋头铆钉连接强度受连接板厚度影响的曲线，如图11所示 。图11中的强度影响系数δ为:
(5)
式中:FD为设计失效载荷；FR是有限元分析的失效载荷 。
图10拉剪复合裕量与载荷系数的关系
图11连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响趋势图
可以看出，板材厚度对连接强度的影响不是线性的，板材越薄，影响越严重 。
结束语
以上分析结果表明，铆钉既能承受拉力，又能承受剪力，降低了铆钉的连接强度 。特别是对于安装在薄蒙皮上的沉头铆钉，沉头铆钉孔被沉头套筒大大削弱，铆钉孔受力变形很大 。
较大的变形导致铆钉轴线倾斜，导致更严重的拉伸，对其连接强度产生显著影响 。随着板厚的减小，这种影响会更加严重 。
而连接板的厚度对扁锥铆钉的连接强度没有明显的影响 。因此，在薄板上安装沉头铆钉时，为了保证结构的安全，应考虑铆钉拉力对其连接强度的影响 。

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