连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响分析沉头铆钉 _厚度

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。
常见的铆钉有平锥头、半圆头、平圆头和沉头。埋头铆钉用在零件需要光滑的地方，不允许铆钉从表面突出，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对接结构中，一般采用多排铆钉搭接或对接连接。
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) 。
一般在计算这种结构的设计荷载时，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，并且是均匀剪切的，即设计荷载是双排铆钉单次剪切容许值之和。
但在试验过程中发现，连接蒙皮(厚度1.5毫米)对接处的埋头铆钉(直径5毫米)损坏较早，破坏载荷为设计载荷的93.5% 。试件的破坏形式如图2所示。
图1飞机典型蒙皮对接形式
图2蒙皮对接试件失效形式图
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产生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，导致铆钉孔变形较大(见图2) 。
较大的变形使铆钉轴线倾斜，使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，其连接强度可能会受到影响。
因此，参考文献[5]中提到，更大埋头铆钉窝深度应保证钉杆凸出部分的厚度不小于0.254mm，且不小于埋头铆钉厚度的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，一般的理论无法准确分析其加载过程。
因此，采用非线性有限元模拟铆钉的加载过程。该模型综合考虑了弹塑性、接触和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。
【连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响分析沉头铆钉】一方面，在分析时，考虑沉头铆钉孔刚度的影响，比较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。
有限元模型介绍
根据飞机结构中典型沉头铆钉和蒙皮的设计参数，并考虑与典型平锥铆钉或厚蒙皮连接沉头铆钉的比较，利用ABAQUS有限元分析软件建立了三组单钉平板搭接结构的有限元模型，模型的相关参数见表1 。
埋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，单剪许用值4805N N，模型材料卡增加弹塑性本构关系，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，限制板的面外变形，消除偏心的影响。
同时，分别建立钉筒与钉孔、钉头与皮肤、皮肤之间的接触关系。每个钉子的剪切载荷或拉伸载荷可以通过钉柱或钉头的接触力在相应方向上的投影得到。
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，三种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，说明模型1沉头铆钉最早会发生破坏。
图5等效应力分析结果
图6等效塑性应变分析结果
图7为三种型号铆钉的剪切载荷随外加载荷增加的对比结果，图8为三种型号铆钉的拉伸载荷随外加载荷增加的对比结果，其中载荷系数为当前外加载荷与该型号更大外加载荷的比值。
可以看出，三种模型的铆钉所承受的剪切载荷是相等的，基本上是线性增加的(蒙皮的一部分载荷是通过搭接区域的摩擦来传递的) 。

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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