铆接变形的有限元分析冯晓旻;谢兰生【摘 要】铆接技术在飞机制造过程中占有极其重要的地位,而铆接造成铆钉和铆接 件的变形会严重影响产品的装配性能和使用寿命.论述了用有限元分析法模拟单个 铆钉压铆的动态过程,研究了铆钉和铆接件在压铆过程中的受力和变形情况.期刊名称】《机械制造与自动化》年(卷),期】2009(038)002【总页数】3页(P62-63,80)关键词】 压铆;铆接变形;有限元分析【作 者】 冯晓旻;谢兰生【作者单位】 南京航空航天大学,机电学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,机电学院,江苏,南京,210016【正文语种】 中文【中图分类】 工业技术•机械制造与研究冯晓曼，等铆接变形的有限元分析铆接变形的有限元分析 冯晓晏．谢兰生(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016 )摘要：铆 接技术在飞机制造过程中占有极其重要的地位，而铆接造成铆钉和铆接件的变形会 严重影响产品的装配性能和使用寿命论述了用有限元分析法模拟单个铆钉压铆 的动态过程 ，研究了铆钉和铆接件在压铆过程中的受力和变形情况关键词： 压铆；铆接变形；有限元分析中图分类号：T131.1文献标识码：B文章编号 1671-5276( 2009)02-0062-02 RivetDeformationandFiniteElementAnalysis FENG Xiao-min,XIELan-shen ( Collegeof MechanicalandElectrical Engineering, NanjingUniversityof Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,China) Abstract:The riwting technologyoccupiesanimportantplace in airplanemanufacturingandiswidely appliedto it.However,therivet effects quality andperformanceof the assembly.This article analyesfiniteelementanddoesresearchonthedeformationof rivet. Key words:pressureriveting;rwet deformation;finiteelementanalysis 0 引言铆接是 一种不可拆卸的连接形式。
自从飞机机体采用铝合金薄壁结构起 ，就广泛的应用 铆接这种连接方法与其他连接形式相 比，虽然铆接降低了结构的强度 ，疲劳 性能较差，结构质量增大，铆接变形大 ，手工劳动量大，劳动条件较差 ，但它 的工艺过程简单，连接强度稳定可靠，检查和排除故障容易 ，能适应于结构复杂 的各种金属和非金属材料之间的连接 ，因此得到了广泛的使用传统的铆接方法 有手铆法和锤铆法手铆法工具简 单，操纵方便，主要用于小组合件 、托板螺 帽和双面沉头铆接 ；锤铆法适用于各种铆接结构，广泛应用于机体各种组 合件 和部件 这两种方法人为因素影响较大，铆接品质不 稳定 ，而且劳动强度高、劳 动条件差但是 由于锤铆法铆接时装配件可处于各种位置，且对于不开敞结构亦 可使用，因此在现在的飞机制造中仍在采用根据铆接方式的不同可 以分为正铆 法和反铆法正 铆法虽然劳动强度大、效率低，但较反铆法铆接变形小 ，表面 品质高，多用于表面品质要求较高的装配件( 如机翼) 反铆法应用范围广 、 顶把轻、仅有正铆顶把质量的 1/4 ，能 够使零件贴紧，铆接变形大，严重时钉头 周围会有局部下 陷，广泛应用于机体各种组合件和部件在航空工厂中广泛使用 压铆法，通过上下铆模挤压铆 钉而形成墩头，其主要设备是压铆机。
按其 固定 形式分类 ，主要有座式、台式和手提式座式主要适用于大型梁 、 壁板类组件 的铆接；台式适用于小型组件的铆接 ；手提式主要适用于装配件边缘的铆接 气动动力源的压铆机的压铆力较小 ，气动液压动力源和液压动力源的压铆机的压 铆力较大压铆法的优点在于钉杆能够较均匀的墩粗而填满钉孔 ，品质稳定，表 面品质好，效率高主要用于开敞性好的 组合件，如肋、框、梁、壁板等 2 铆接过程的有 限元分析 2.1模拟软件 的选用对于复杂接触情况的瞬时动力问 题 ，采用显式动态分 析方法是必然的 目前世界上 比较流行的进行显式动态 分 析的有限元软件主要有ABAQUS/Explicit ,ANSYS/LS-DYNA等现选用 ABAQUS/Explicit进行有限元分析2.2几何模型及网格划分数值模拟过程中使 用的铆钉和夹层材料的几何尺寸列于表1表l铆钉和夹层材料几何尺寸mm名 称尺寸铆钉直径铆钉外伸量 孔径铆头直径铆头高度 夹层厚度 696.210.53.96铆 接过程中铆钉各点位移、应变和应力对称于铆钉轴线 ， 而夹层材料在铆接过程 中塑性影响区内材料各点位作者简介：冯晓曼( 1982- ) ，男，江苏省泰州市 人，南京航空航天大学在读，研究方向为CAD和CAE技术。
• 62-http : liZZHD. E-maiI:ZZHD@ 《机械制造 与 自动化》要 :铆接技术在飞机制造过程中占有极其重要的地位，而铆接造成铆 钉和铆接件的变形会严重影响产品的装配性能和使用寿命 论述 了用有限元分析 法模拟单个铆钉压铆的动态过程，研究了铆钉和铆接件在压铆过程中的受力和变 形情况文章编号 :1671-5276( 2009)02-0062-02 RivetDeformationandFiniteElementAnalysis Xiao-min,XIELan-shen Collegeof MechanicalandElectrical Engineering, NanjingUniversityof Aeronautics Astronautics,Nanjing210016,China) technologyoccupiesanimportantplace in airplanemanufacturingandiswidely appliedto it.However,therivet effects quality andperformanceof the assembly.This article analyesfiniteelementanddoesresearchonthedeformationof rivet. words:pressureriveting;rwet deformation;finiteelementanalysis 0 引言铆接是 一种不可拆卸的连接形式。
自从飞机机体采用铝合金薄壁结构起 ，就广泛的应用 铆接这种连接方法与其他连接形式相 比，虽然铆接降低了结构的强度 ，疲劳性 能较差 ，结构质量增大，铆接变形大 ，手工劳动量大，劳动条件较差 ，但它的工 艺过程简单，连接强度稳定可靠，检查和排除故障容易 ，能适应于结构复杂的各 种金属和非金属材料之间的连接 ，因此得到了广泛的使用传统的铆接方法有手 铆法和锤铆法 手铆法工具简单 ，操纵方便 ，主要用于小组合件 、托板螺帽和 双面沉头铆接 ； 锤铆法适用于各种铆接结构 ，广泛应用于机体各种组合件和部件 这两种方法人为因素影响较大，铆接品质不稳定 ，而且劳动强度高、劳动条件差 但是 由于锤铆法铆接时装配件可处于各种位置，且对于不开敞结构亦可使用根据 铆接方式的不同可 以分为正铆法和反铆法 正铆法虽然劳动强度大 、效率低 ， 但较反铆法铆接变形小 ，表面品质高，多用于表面品质要求较高的装配件（ 如机 翼） 反铆法应用范围广 、顶把轻 、仅有正铆顶把质量的 1/4 ，能够使零件贴 紧，铆接变形大，严重时钉头周围会有局部下陷，广泛应用于机体各种组合件和部 件在航空工厂中广泛使用压铆法 ，通过上下铆模挤压铆钉而形成墩头 ，其主要 设备是压铆机。
按其 固定形式分类 ，主要有座式 、台式和手提式 座式主要适 用于大型梁 、壁板类组件的铆接 ；台式适用于小型组件的铆接 ； 手提式主要适 用于装配件边缘的铆接 气动动力源的压铆机的压铆法的优点在于钉杆能够较均 匀的墩粗而填满钉孔 ，品质稳定，表面品质好，效率高 主要用于开敞性好的组 合件，如肋 、框、梁、壁板等对于复杂接触情况的瞬时动力问题 ，采用显式动 态分析方法是必然的 目前世界上 比较流行的进行显式动态分析的有 限元软件 主要有ABAQUS/Explicit , ANSYS/LS- DYNA表丨铆钉和夹层材料几何尺寸铆钉 直径铆钉外伸量孔径铆头直径铆头高度夹层厚度 6 9 6.2 10.5 3.9线而夹层材料在 铆接过程中塑性影响区内材料各点位62- http ：IIZZHD•冯晓曼，等•铆接变 形 的有限元分析图 l 有限元模型网格划分移、应变和应力也对称于铆钉的中心轴， 因此在数值模拟 中的几何模型采用轴对称模型 模型只取中轴面的 1/2 在图 2 中，铆钉和夹层均采用轴对称应力单元CAX4R2.3材料模型铆钉材料为钢, 其弹性模量为200000MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/rr13。
当铆钉材料 在铆模高速撞击下 形成镦头时，铆模的变形相对于铆钉的变形是非常小的， 因此 ， 铆模在模拟过程中视为刚体材料 2.4接触和摩擦处理运用有限元分析理论来求 解接触问题的一般过程也 有着 自身的特点，接触过程通常是依赖于时间 ，并伴随 着 材料非线性和几何非线性的演化过程 特别是接触界面 的区域和形状以及接触 界面上运动学和动力学的状态也 是事先未知的 这些特点决定 了接触问题通常采 用增量 方法求解 ABAQUS/Explicit 中接触碰撞主要采用 3 种不同的算法 ：拉 格朗日乘子法 、罚函数法和直接约束法 拉格朗 日乘子法是通过拉格朗 日乘子 施加接触体必 须满足的非穿透约束条件的带约束极值问题的描述方法 拉格朗 日 乘子技术经常用于采用特殊的界面单元描述接 触的接触问题分析 ，该方法限制了 接触物体之间的相对运 动量 ，并且需要预先知道接触发生的确切部位， 以便施加 界面单元罚 函数法是一种施加接触约束的数值方法 ，其原理 是 ：一旦接触区 域发生穿透 ，罚 函数便夸大这种误差的影 响，从而使系统的求解无法正常进行 ， 即只有在约束条件 满足之后 ，才能得出有实际物理意义的结果。
用罚 函数法 施 加接触约束的方法可以类 比成在物体之间施加非线性 弹簧所起的作用 ，该方法不 增加未知量的数 目，在显式动 力学分析中被广泛应用直接约束法处理接触问题 是追踪物体的运动轨迹 ，一 旦探测 出发生接触 ，便将接触所需要的运动约束（ 即法向 无相对运动 ，切 向可 以滑动） 和节点力 （ 法 向压力和切 向 摩擦力） 作为边界条件直接施加在产生接触 的节点上 MachineBuilding8 Automation,Apr2009,38(2 ):62 ~ 63,80该方法不增加系统的自由度数目，但由于接触关系 的变化会增加系统矩阵的带宽在ABAQUS/Explicit中，接触和摩擦的参数都使 用默认值就可以达到较好的计算结果 ，由于摩擦系数中的各个参数难以确定 ， 所以全取默认值2.5数值模拟结果本次模拟定义分析步长rfimeperiod为0.5， 然后对模型进行求解，得到压铆过程模拟如图2(a)~图2(d)所示c)当0.4时(d)当t=0.5时图3铆钉不同阶段的应力分布可以看出，压铆过程中铆钉变形很大， 大变形主要集中在0.3s — 0.5s •压铆过程应力主要集中在铆钉与孔边缘的接触 部分，这将对于铆接品质造成影响。
其次铆钉的 头部与铆钉杆的连接处应力也较 为集中，施铆力过大的情况下，可能造成铆钉的断裂下转第80页)-63 •冯晓 曼，等图有限元模型网格划分移、应变和应力也对称于铆钉的中心轴， 因此在数 值模拟中的几何模型采用轴对称模型模型只取中轴面的 1/2在图 2 中，铆钉 和夹层均采用轴对称应力单元 CAX4R 2.3材料模型铆钉材料为钢，其弹性模 量为 200000MPa ，泊松比为 0.3，密度为 7800kg/rr13 当铆钉材料在铆模 高速撞击下形成镦头时，铆模的变形相对于铆钉的变形是非常小的，因此 ，铆模 在模拟过程中视为刚体材料运用有限元分析理论来求解接触问题的一般过程也有 着自身的特点，接触过程通常是依赖于时间 ，并伴随着材料非线性和几何非线性 的演化过程特别是接触界面的区域和形状以及接触界面上运动学和动力学的状 态也是事先未知的这些特点决定 了接触问题通常采用增量方法求解ABAQUS/Explicit中接触碰撞主要采用3种不同的算法：拉格朗日乘子法、罚 函数法和直接约束法拉格朗日乘子法是通过拉格朗 日乘子施加接触体必须满足 的非穿透约束条件的带约束极值问题的描述方法拉格朗日乘子技术经常用于采 用特殊的界面单元描述接触的接触问题分析，该方法限制了接触物体之间的相对 运动量，并且需要预先知道接触发生的确切部位， 以便施加界面单元。
罚 函数法 是一种施加接触约束的数值方法，其原理是：一旦接触区域发生穿透，罚函数 便夸大这种误差的影响，从而使系统的求解无法正常进行 ，即只有在约束条件满 足之后，才能得出有实际物理意义的结果 用罚函数法施加接触约束的方法可以 类 比成在物体之间施加非线性弹簧所起的作用 ，该方法不增加未知量的数 目，在 显式动力学分析中被广泛应用直接约束法处理接触问题是追踪物体的运动轨迹 一旦探测出发生接触，便将接触所需要的运动约束( 即法向无相对运动，切 向 可 以滑动) 和节点力 ( 法 向压力和切 向摩擦力) 作为边界条件直接施加在产 生接触 的节点上 MachineBuilding8 Automation, Apr2009,38(2 ):62 ~ 63,80ABAQUS/Explicit 中，接触和摩擦的参数都使用默认值就可以达到较好的计 算结果，由于摩擦系数中的各个参数难以确定 ，所以全取默认值本次模拟定义 分析步长rfimeperiod为0.5，然后对模型进行求解，得到压铆过程模拟如图 2(a)~图2(d)所示c)当0.4时(d)当t=0.5时3铆钉不同阶段的应力分布可以 看出，压铆过程中铆钉变形很大，大变形主要集中在0.3s — 0.5s •压铆过程应力 主要集中在铆钉与孔边缘的接触部分，这将对于铆接品质造成影响。
其次铆钉的 头部与铆钉杆的连接处应力也较为集中，施铆力过大的情况下，可能造成铆钉的断 裂63 •林平，等基于神经网络的数字识别神经网络采用三层的BP网络，在 特征提取部分采用 的是 直接利用每个点的像素值作为特征，也就是对图像进行逐 行逐列的扫描，当遇到黑色像素时取其特征值为l，遇到白色像素时取其特征值 为 0 ，这样就形成了一个维数与图 像中像素点的个数相同的特征向量矩阵 由于 进行归一化后字符的高度为 16 宽度为 8 ，这样对于每一个输入样本就有 16x8=128个特征因此输入层的结点数为128隐含层单元数根据多次试验 选取为 60 ，输出层结点数的 确定则取决于如何设定标准输出，这里采用 8421BCD码来对0~9进行编码，如输出0就采用(0 ,0,0,0)这样的输出 向量来表示，输出 l 就采用 (0 ，0 ，0 ， 1) 输 出向量表示， 一直到 9 这样 一来输出层 的单元数目就为 4 即输出向量的维数,但是由于采用 的激励函数 是S型函数，其输出永远不可能达到O或1 ,只能是接近故用0.1来代表 0，0.9来代表 1，所以输出 0的向量为（0.1，0.1，0.1，0.1），9的输出向量 为（0.9，0.1，0.1，0.9），其他同理。
训练参数方面为了使BP网络对输人有一 定的容错性所以利用不含和含有噪声的输人数据训练网络 参数设置分别为目 标误差 0.0001和 0.6，训练时间 5000和500，动量因子都是 0.95，步长都是 20 4结论由实验可知，在理想的状态下单个数字的平均识别率达到 96%如果 加入噪声,识别率则达到93% ,速度在3~ 5s因此如要获得较高的识别 率，则要更加完善对图像的预处理，其次增加训练样本，也可以使识别率进一步 提高近几年来，由于计算机图像处理能力和技术的飞速发展，及大量的数字图 像处理设备性能价格比的提高，加之视觉系统的优势，机器人视觉系统在轮式移 动机器人中的应用越来越受人们重视，基于BP神经网络的图像数字识别已用于 排爆、跟踪、足球机器人等基于视觉的智能自主机器人，有广泛的应用前景参考文献：[1]朱大奇，史慧，人工神经网络原理及应用[M].北京：科学出版社， 2006 . [2]朱剑英，智能系统非经典数学方法[M].武汉：华中科技大学，1999 • [3]阎平凡，张长水，人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：清华大学，2005. [4] OhtY,KanadeT,SakaiT.Colorinformation forregionsegmen- tation[Z].ComputerCraphics andImageProcessing. [5]彭淑敏，王军宁， 基于 神经网络的图像识别方法[J].电子科技,2005 • [6]罗中兵，付忠良，阮波.一种改进的模板匹配算法[J]. 2002.[7]丘江， 刘波，杨静，基于图像差距分割的快速目标匹配识别算法J].光子学报.2001． [8]苏光大．微机 图像处 理系统 [M] ．北 京：清华 大学出版社，2000 .收稿日期：2009- 02 -18盂出直沮-U'Un缸置皿正■人点心正涵越越宣J 凶雌置-五、上山盂血五uBj皿五■乱‘泌五心置心‘越‘UB直沮盂山』皿』滥』沁置血 置山五■山‘ m盈。
‘、蠡山血・Un'U雌童・U嗌工沮‘、‘U嘘』皿萱山五皿 上接第 63 页）3小结图 4 铆钉的应力分布压铆过程虽然是个瞬时过程，却是一 个非常复杂的问题，甚至影响到装配品质和装配效率 ，本研究工作只是一 个初步 的探讨，仍有许多需改进和完善的地方需要进一步研究的问题包括:a）本研 究是针对单个铆钉的情况，但实际工程 中，铆钉往往是成排使用的连接方式， 铆钉造成变形之间的相互影响未做深入探讨• 80 . b）只考虑了压铆造成的变形, 对于如何能够建立夹具补偿及零件预反设计与薄壁件变形的映射关系 ，利用夹 具 补偿和零件预反设计两种方法对压铆变形进行预矫正， 以控制压铆过程的装配变 形，提高整体装配件的装配准确 度，是个很值得研究的问题 [1]钱伟长， 变分 法及有限元[M].北京：科学出版社，1980.[2]夏平，刘兰•铆接铆钉分布压力 的计算J].设备设计与维修，2003（12） : 99-108. [3]范玉清.现代飞机制造技 术[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001. [4] ZenerC,HollomonJ H.Effectof strain rateuponplasticflow of steel[J].JApplPhys 1949,115:22-32.[5] HubertASchmilt.Aubum,Wash, “ al.Highimpactportable r:ivetingapparatus[P]. US Patent:3559269,1968. [6]殷有泉， 固体力学非线性 有限元引论[MJ .北京：北京大学出版社,1987. 收稿日期： 2009- 02- 03神经网络采用三层的 BP 网络 ，在特征提取部分 采用 的是直接利用每个点的像素值作为特征 ，也就是对图像进行逐行逐列的扫描 ， 当遇到黑色像素时取其特征值为 l ，遇到白色像素时取其特征值为 0，这样就形 成了一个维数与图像中像素点的个数相同的特征向量矩阵。
由于进行归一化后字 符的高度为 16 宽度为 8 ，这样对于每一个输入样本就有 16x8=128 个特征 因 此输入层的结点数为 128 隐含层单元数根据多次试验选取为 60 ，输 出层结点 数的确定则取决于如何设定标准输 出，这里采用 8421BCD 码来对 0~9出向量来 表示 ，输出 l 就采用 （0 ，0 ，0 ， 1） 输 出向量表示，一直到 9 这样一来输 出层 的单元数 目就为 4 即输 出向量的维数，但是由于采用 的激励 函数是 S 型 函数 ，其输 出永远不可能达到 O 或 1 ，只能是接近 故用 0.1 来代表 0 ， 0.9 来代表 1 ，所以输出 0 的向量为（0.1 ，0.1 ，0.1 ，0.1） ，9的输出向量为（0.9 ， 0.1 ，0.1 ，0.9） ，其他同理训练参数方面为了使 BP 网络对输人有一定 的容错 性所以利用不含和含有噪声 的输人数据训练网络 参数设置分别为 目标误差 0.0001和 0.6 ，训练时间 5000 和 500，动量因子都是 0.95，步长都是 20 4 结论3~ 5 s因此如要获得较高的识别率，则要更加完善对图近几年来，由于计 算机图像处理能力和技术的飞速发展 ，及大量的数字图像处理设备性能价格 比的 提高，加之视觉系统的优势 ，机器人视觉系统在轮式移动机器人中的应用越来越 受人们重视，基于 BP 神经网络的图像数字识别已用于排爆 、跟踪、足球机器人 等基于视觉的智能 自主机器人 ，有广泛的应用前景。
[4] OhtY,KanadeT,SakaiT.Colorinformation forregionsegmen- tation[ Z]. ComputerCraphics andImageProcessing. [6]罗中兵 ，付忠良，阮波． 一种改 进的模板匹配算法J]. 2002. [7]丘江，刘波，杨静，基于图像差距分割的快速 目标匹配识别算法[J].光子学报.2001 .收稿日期：2009- 02 -18上接第63 页 ） 3小结4铆钉的应力分布压铆过程虽然是个瞬时过程 ，却是一个非常复杂 的问题，甚至影响到装配品质和装配效率 ，本研究工作只是一个初步的探讨 ，仍 有许多需改进和完善的地方需要进一步研究的问题包括:a）本研究是针对单个 铆钉的情况 ，但实际工程 中，铆钉往往是成排使用的连接方式 ，铆钉造成变形之 间的相互影响未做深入探讨80 . b)只考虑了压铆造成的变形，对于如何能够建 立夹具补偿及零件预反设计与薄壁件变形的映射关系 ，利用夹具补偿和零件预反 设计两种方法对压铆变形进行预矫正，以控制压铆过程的装配变形，提高整体装 配件的装配准确度 ，是个很值得研究的问题 [1]钱伟长， 变分法及有限元 [M]． 北京：科学出版社，1980. [2]夏平，刘兰．铆接铆钉分布压力的计算 [J]． 设备设计与维修， 2003(12)： 99-108. [4] ZenerC,HollomonJ H.Effectof strain rateuponplasticflow of steel[J].JApplPhys 1949,115:22-32. [5] HubertASchmilt.Aubum,Wash, “ al.Highimpactportable r:ivetingapparatus[P].版社，1987 .收稿日期：2009- 02- 03【文献来源】 automation_thesis/0201224940314.html【相关文献】1•有限元分析软件ABAQUS应用r——剪力作用下梁与方形钢管柱半刚性角钢连接的有限元分析[J], 相春燕，邱学文2•有限元分析软件ABAQUS应用--梁和方形钢管柱半刚性端板连接的有限元分析[J],相春燕,邱 、、,学文3•利用有限元软件ANSYS进行车窗玻璃隔声特性的有限元分析[J],范红梅，戴军，迟萌娟4.有限元及显微有限元分析在骨科应用的新进展 [J], 刘长剑，罗宗键5.冷轧带钢板形屈曲变形失稳限的有限元分析 [J], 王澜，曹建国，贾生晖，曾彤。