电磁铆接过程铆钉动态塑性变形行为及组织性能研究

摘要

电磁铆接是一种高速冲击连接技术。相对于其他铆接技术，具有加载速度快、冲击力大、铆钉变形稳定等优点，可有效解决复合材料铆接时易被挤压破坏，以及难变形钛合金铆钉气动铆接加载力不足等技术瓶颈，该技术已应用于航空航天产品之中，势必将成为铆接工艺的重点发展方向。本文基于电磁铆接技术众多优点和航空航天领域需求，采用Φ10mm-2A10铝合金铆钉和Φ6mm-TA1钛合金铆钉，重点研究电磁铆接过程中铆钉动态塑性变形行为、高应变率下铆钉微观组织演化以及连接结构力学性能、成形质量。
　　基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，建立电磁铆接过程电磁场-力场-温度场耦合数值模拟模型。以综合考虑应变强化、应变速率强化及温度软化对流变应力影响的Johnson-Cook模型为铆钉材料本构关系，实时考虑电磁场、力场以及温度场之间相互影响，对整个电磁铆接过程进行了系统分析。结果表明本文所建立的有限元模型与工艺试验结果相符，通过分析得到了很难实测的磁压力分布、应变速率变化和温度场分布等规律。磁压力时空分布表明磁压力以衰减正弦波形式变化，且在驱动片与线圈厚度中心相对位置处达到峰值。
　　数值模拟发现沿着铆钉钉杆干涉量呈不均匀分布趋势。针对这一现象，本文结合弹塑性力学和应力波理论对铆钉动态塑性变形行为进行分析，建立了相对干涉量分布模型，通过试验实测干涉量验证了模型精度。沿着铆钉钉杆方向，越靠近镦头干涉量越大，并向半圆头一侧呈幂函数与指数函数乘积形式递减分布。干涉量大小直接决定了板材孔壁周围塑性变形区域大小，沿着板材厚度方向，塑性变形区域大小分布规律与干涉量分布相同。
　　对于2A10铝合金铆钉电磁铆接，绝热剪切带是铆钉成形组织重要特征。绝热剪切带两侧金属较大的径向塑性流动速度差和绝热温升软化效应是绝热剪切带形成主要机制。另外，试验和数值模拟结果表明绝热剪切带优先萌生于镦头对角位置，随着变形量的增加而逐渐向镦头中心扩展，并在镦头中心相交。最终形成的绝热剪切带宽度约为80μm，狭窄的绝热剪切带内存在大量相互缠结的位错，位错滑移作用使其内部形成了宽度约0.8μm层片状亚结构。绝热剪切带内部微观组织及分布特征对铆钉镦头性能分布具有较大影响。大量Al2Cu强化相和较高位错密度使得绝热剪切带处硬度明显高于其他位置。绝热剪切带分布特征导致镦头径向压缩强度和高度方向拉伸强度分布不均，而铆接后镦头平均抗压缩屈服强度较原始铆钉强度提高了81％，这对铆接结构实际承载能力具有积极的影响。
　　对于TA1钛合金铆钉电磁铆接，仅有镦头轴向变形量较大时才会出现绝热剪切带现象，绝热剪切带宽度约为10μm。钛合金绝热剪切带内部微观组织演化仍以位错滑移机制为主导，并且亚晶动态旋转机制导致绝热剪切带内部形成了尺寸在100~200nm之间的等轴状再结晶晶粒。
　　整个铆接结构力学性能是评价其可靠性的重要标准，对于单个Φ10mm-2A10铝合金铆钉的电磁铆接结构，可承受最大剪切载荷和拉脱载荷分别为23.2kN和35kN，并且该铆接结构镦头高度在5~6mm之间时其力学性能最佳。而对于单个Φ6mm-TA1钛合金铆钉铆接结构，可承受最大剪切载荷和拉脱载荷分别可达9.9kN和12.3kN。
　　为了探索电磁铆接技术工程化应用，本文对比分析了具有同等抗剪切承载能力的Φ10mm-2A10铝合金铆钉和Φ6mm-30CrMnSi钢制螺栓紧固件连接结构。相对于螺接结构，铆接结构抗剪切载荷和拉脱载荷分别高出3.1%和40%，而单纯从紧固件重量方面对比其总量轻15.8%。如果从比强度方面对比分析，铆接结构抗剪切和拉脱比强度分别高出22.6%和66.1%。因此，采用轻质的电磁铆接结构代替比强度较低的螺接结构，既可提高连接结构的可靠性，亦可实现明显的减重效果，对航空航天领域装配工艺具有重大的工程意义。

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第1章 绪 论

1.1选题背景及研究意义

1.2电磁成形技术研究概况

1.3电磁铆接技术国内外研究现状

1.4高应变率下材料塑性变形机理研究概况

1.5目前研究存在的主要问题

1.6本课题主要研究内容

第2章 电磁铆接过程多场耦合数值模拟

2.1引言

2.2电磁铆接过程数值模拟方案

2.3材料模型建立

2.4有限元模型建立

2.5有限元模拟验证

2.6结果分析

2.7本章小结

第3章 电磁铆接过程动态塑性行为

3.1引言

3.2铆钉变形过程中应力波传递模型

3.3铆钉钉杆变形后与被连接板之间的干涉量模型

3.4本章小结

第4章 高应变率下铆钉微观组织演化

4.1引言

4.2 2A10铝合金铆钉镦头绝热剪切带产生和扩展过程

4.3 2A10铝合金铆钉绝热剪切带中微观组织及演化规律

4.4 TA1钛合金铆钉镦头微观组织及演化规律

4.5本章小结

第5章 结构件电磁铆接工艺试验及成形质量分析

5.1引言

5.2试验条件

5.3 2A10铝合金铆钉结构件电磁铆接工艺试验

5.4 TA1钛合金铆钉电磁铆接结构件工艺试验

5.5以铆接代替螺接结构可行性探究

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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