沉头铆钉（连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响分析）

沉头铆钉（连接板厚度对沉头铆钉连接强度的影响分析）

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。它具有工艺简单、连接牢固可靠、便于检查、质量稳定等优点。

常用的铆钉有平锥头、半圆 头、扁圆头和沉头等形式。沉头铆钉用于零部件需要平滑的地方，不允许铆钉凸出表面，如机翼、机身、尾翼等蒙皮表面。

沉头铆钉也大量应用于飞机蒙皮对接结构中，一般选用多排铆钉搭接或对接的形式进行连接。

如飞机典型的蒙皮对接结构为双排沉头铆钉框上对接形式（见图1）。

一般计算该结构的设计载荷时，认为连接蒙皮与框缘的双排铆钉仅通过受剪传递蒙皮载荷，并且均匀受剪，即设计载荷为双排铆钉单剪许用值之和。

而试验时发现，连接蒙皮（厚度为1.5mm）对接处的沉头铆钉（直径为 5mm）较早发生破坏，破坏载荷为设计载荷的 93.5%，试验件破坏形式如图2所示。

图1 飞机典型蒙皮对接形式

图2 蒙皮对接试验件破坏形式图

从传载角度分析，理想情况下蒙皮对接处铆钉仅承受面内剪切载荷。而实际受载过程中，蒙皮对接处的铆钉或铆钉孔在承受较大载荷后均会产生不同程度的塑性变形。

而当蒙皮厚度较薄时，锪窝对铆钉孔削弱较大，铆钉孔的挤压面积较小，导致铆钉孔变形较大（见图2）。

较大的变形使铆钉轴线发生倾斜，从而使铆钉沿轴线方向可能产生一部分拉伸载荷。若铆钉同时承受拉伸和剪切复合载荷，可能会对其连接强度有所影响。

因此，参考文献[5]中提到沉头铆钉最大锪窝深度应确保钉杆挤压部分的厚度不小于0.254mm，且不小于沉头面被连接件厚度的1/3。若孔的挤压面积减少，铆钉的连接强度可能会有所降低。

以上分析定性地说明了铆钉连接强度可能会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。

因铆钉从受剪到破坏的过程涉及复杂的弹塑性、接触及大变形等非线性问题，一般的理论方法无法准确分析其受载过程。

因此采用非线性有限元方法对铆钉的受载过程进行模拟，在模型中综合考虑弹塑性、接触以及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。

分析时一方面考虑锪窝对铆钉孔刚度的影响，将沉头铆钉与平锥头铆钉的受载、变形情况进行对比；另一方面考虑板厚对沉头铆钉受载的影响，对比连接板厚度不同时沉头铆钉的受载、变形情况，最后进行强度分析。

有限元模型简介

根据飞机结构中典型的沉头铆钉及蒙皮设计参数，并考虑与典型的平锥头铆钉或与较厚蒙皮连接的沉头铆钉进行对比，采用ABAQUS有限元分析软件建立单钉平板搭接结构有限元模型三套，模型相关参数见表1。

沉头铆钉连接有限元模型如图3所示，平锥头铆钉连接有限元模型如图4所示。铆钉直径为5mm，沉头深度为1.08mm，单剪许用值为4805N。在模型材料卡片中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，材料具体性能参数见表2

表1 有限元模型参数

表2 材料性能

图3 沉头铆钉连接有限元模型 图4 平锥头铆钉连接有限元模型

对平板搭接结构施加单拉载荷，下板左端固支，上板右端施加4805N拉伸载荷，同时限制板的面外变形以消除偏心影响。

同时分别在钉柱面与钉孔、钉头与蒙皮及蒙皮相互之间建立了接触关系。各钉的剪切载荷或拉伸载荷可通过钉柱面或钉头的接触力在相应方向上的投影来得到。

考虑结构在加载后期变形较大，在模型中设置几何非线性开关处于打开状态。

有限元分析结果

根据有限元分析结果，三套有限元模型等效应力云图如图5所示，等效塑性应变云图如图6所示。

根据图5及图6，模型1铆钉受载后应力集中区域在铆钉的沉头附近，等效塑性应变为0.316，模型2和模型3铆钉受载后应力集中区域为钉剪切面附近，等效塑性应变分别为0.268和0.225，可见模型1的沉头铆钉会最早发生破坏。

图5 等效应力分析结果

图6 等效塑性应变分析结果

图7为三种模型铆钉承受的剪切载荷随施加载荷增加时的对比结果，图8为三种模型铆钉承受的拉伸载荷随施加载荷增加时的对比结果，图中载荷因数为模型当前施加载荷与最大施加载荷之比。

可见三种模型铆钉承受的剪切载荷相当，且基本呈线性增加（蒙皮的一部分载荷由搭接区域的摩擦传递）。

三种模型在低载时铆钉的拉伸载荷基本相当，载荷增大后，由于1.5mm板的沉头孔刚度较低、变形较大，铆钉轴线发生明显倾斜（见图5、图6），导致沉头铆钉受拉变严重，拉伸载荷显著高于其他模型。

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，需要对其进行拉剪复合强度分析。拉剪复合相关方程为：

（1）

安全裕度M.S.计算公式为：

（2）

（3）

（4）

式中：FT为钉拉伸载荷；[ FT ]为钉拉伸许用载荷；FS为钉剪切载荷；[ FS ]为钉剪切许用载荷。

对拉剪复合公式进行分析，图9为RS与RT在拉剪复合裕度为0时的对应关系图，可见随着铆钉拉伸载荷的增大，对应的极限剪切载荷会降低，即铆钉受拉后会降低铆钉搭接结构的承载能力。

图9 RS—RT关系图

平锥头铆钉的拉伸许用载荷为 2449N，沉头铆钉的拉伸许用载荷为 1837N[6]；二者的剪切许用载荷均为 4805N。

根据图7、图8并结合拉剪复合计算公式可得拉剪复合裕度与载荷因数的对应关系如图 10 所示，可知当沉头铆钉（1.5mm 板厚）拉剪复合裕度为 0 时，对应的载荷因数约为0.932；

沉头铆钉（2.0mm板厚）拉剪复合裕度为0时，载荷因数约为0.951；凸头铆钉（1.5mm板厚）拉剪复合裕度为0时，载荷因数约为0.997。可见连接板厚度对沉头铆钉的连接强度影响较明显，对平锥头铆钉影响不明显。

根据试验结果，沉头铆钉断裂的试验载荷为设计载荷的93.5%，强度分析结果约为93.2%。理论分析结果与试验结果吻合良好，说明该理论分析方法可用于下一步研究。

连接板厚度影响分析

根据以上分析，沉头铆钉的连接强度受连接板厚度影响较明显，因此采用上述有限元及强度计算方法对其影响程度进行分析。分析时采用多个典型的连接板厚度进行研究，并拟合得到该沉头铆钉的连接强度受连接板厚度影响的曲线如图11所示。图11中强度影响系数δ为：

（5）

式中：FD为设计破坏载荷；FR为有限元分析破坏载荷。

图10 拉剪复合裕度与载荷因数的关系图

图11 沉头铆钉连接强度受连接板厚度影响趋势图

可见，板厚对连接强度的影响并非线性关系，板越薄影响越严重。

结束语

以上分析结果表明，铆钉在承受剪力的同时也会承受拉力，使铆钉的连接强度有所降低。特别是对在较薄蒙皮上安装的沉头铆钉，因锪窝对铆钉孔削弱较大，钉孔受力时变形较大。

较大的变形使铆钉轴线发生倾斜，导致其受拉更为严重，从而对其连接强度产生了显著的影响。随着板厚的降低，这种影响会变得更严重。

而连接板的厚度对平锥头铆钉的连接强度没有明显影响。因此，针对在较薄板上安装沉头铆钉时，为保证结构使用安全，应考虑铆钉因受拉对其连接强度产生的影响。

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