摘要：采用螺栓連接、實(shí)心鉚釘鉚接兩種連接方式對(duì)鋼板進(jìn)行連接試驗(yàn)。對(duì)實(shí)心鉚釘鉚接進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，得 出合理的鉚釘卨度。對(duì)螺栓連接件與實(shí)心鉚釘鉚接件進(jìn)行板料搭接及對(duì)接結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明：螺栓連接件 的抗剪強(qiáng)度略大于實(shí)心鉚釘鉚接件的抗剪強(qiáng)度，螺栓連接件的抗剝離強(qiáng)度明顯大于實(shí)心鉚釘柳接件
國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者都對(duì)鉚接及螺栓連接的結(jié)構(gòu) 性能進(jìn)行了研究：黃志超[1.2]介紹了各種連接技術(shù)的 工作原理及優(yōu)、缺點(diǎn)，采用Def0rm-2D有限元分析 軟件對(duì)實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬， 分析了鉚接成形過(guò)程中板料斷裂損傷的分布以及發(fā) 展趨勢(shì)；馮曉旻等[3]利用有限元分析方法研究了鉚 釘和鉚接件在壓鉚過(guò)程中的受力和變形情況；劉平 等[4」提出將壓鉚過(guò)程劃分為5個(gè)階段，分析每個(gè)階 段的金屬流動(dòng)方向和受力情況；王賢宙等㈨基于3 種典型鉚接結(jié)構(gòu)形式，提出了復(fù)雜工程分析問(wèn)題中 存在大量鉚接裝配關(guān)系時(shí)的有限元建模方法；美國(guó) 托萊多大學(xué)的Li 8等[6」針對(duì)不同厚度板料的波普鉚 釘和半空心鉚釘對(duì)接件疲勞性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研 究；郁大照、尹益輝等[7%利用有限元數(shù)值模擬方法 模擬了螺接搭接件的載荷傳遞特性，計(jì)算分析了普 通三角形螺紋螺栓-螺母副在軸向力作用下的內(nèi)力、 應(yīng)力和變形規(guī)律；黎永鈞[9]、鐘國(guó)輝Ll°]對(duì)幾種高強(qiáng)
度螺栓進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其螺紋斷裂強(qiáng)度和斷 面收縮率，對(duì)靜拉伸載荷下的斷裂過(guò)程、方式和特 征進(jìn)行宏觀和微觀觀測(cè)分析，并對(duì)一系列螺栓連接 的冷成形鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究， 為冷成形鋼結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)提供了分析和設(shè)計(jì)方法。 Sanat Wagle等[11]利用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)螺栓連接招 合金板料的微動(dòng)疲勞損傷進(jìn)行了研究。
本文主要通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)實(shí)心鉚釘與螺栓單搭 接件及單對(duì)接件進(jìn)行了研究，將實(shí)心鉚釘鉚接與螺 栓連接件連接強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比。
1連接試驗(yàn)
1.1鉚釘高度的選擇
實(shí)心鉚釘鉚接是常用的裝配工藝之一。它的費(fèi) 用要比用螺紋緊固件連接經(jīng)濟(jì)得多，裝配效率高， 而且很適于自動(dòng)化。在鉚接過(guò)程中，鉚釘高度與孔 徑、板厚要有良好的匹配關(guān)系，厚板料可能會(huì)使長(zhǎng) 鉚釘產(chǎn)生彎曲，鉚釘桿部太長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生彎折或彎曲， 致使頭部變形偏移，可能損壞鉚釘。另一方面，如 果鉚釘桿部太短，則頭部成形不完整或者損壞板料。 但是對(duì)于金屬板零件，桿徑與板料的厚度有關(guān)，鉚 釘直徑太大，頭部成形困難，鉚釘直徑太小，可能
彎曲，根據(jù)鉚接工藝要求，鉚釘鐓頭最終應(yīng)成鼓形, 喇叭形和馬蹄形都不符合要求。
鑒于實(shí)心鉚釘高度選擇對(duì)連接件性能的影響， 采用Deform-2D有限元軟件分別對(duì)直徑為6 mm, 鉚釘髙度為8, 10和12 mm的3種鉚釘鉚接成形過(guò) 程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬得出試驗(yàn)所 需的最佳鉚釘高度。因模型軸對(duì)稱，所以本模型僅 模擬對(duì)稱中心一側(cè)的成形過(guò)程。
鉚釘材料在沖頭擠壓下形成鐓頭時(shí)，沖頭及凹 模的變形相對(duì)于鉚釘來(lái)說(shuō)是非常小的，因此，沖頭 和凹模在模擬過(guò)程中均視為剛體，鉚釘和板料設(shè)為 塑性體。采用模具行程控制方式，模擬步長(zhǎng)定義為 0.1 mm,沖頭下壓速度設(shè)為5 mm * s_1, 3種高度鉚 釘最終均形成2 mm高的鐓頭。利用直接迭代法對(duì)模 型進(jìn)行求解，得到3種鉚釘最終成形如圖1所示。
分別取3次試驗(yàn)中較接近平均值的曲線進(jìn)行分 析，實(shí)心鉚釘、螺栓搭接件試驗(yàn)（剪切試驗(yàn)）的載 荷-行程曲線如圖3所示。
可以看出：壓翎]過(guò)程中鉚釘變形很大，當(dāng)鉚釘高 度A=8mm時(shí)，鐓頭直徑過(guò)小，這將對(duì)鉚接品質(zhì)造 成影響；當(dāng)鉚釘髙度10和12 mm時(shí)，鉚釘鐓頭 均成鼓形，鉚接效果較好。但由于在鉚釘根部存在應(yīng) 力集中，在成形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)折疊現(xiàn)象，并且鉚釘高 度愈髙，折疊現(xiàn)象愈嚴(yán)重，綜合考慮，本文選用高度 為10 mm的鉚釘進(jìn)行試驗(yàn)。
1.2試驗(yàn)件
試驗(yàn)件為厚度2 mm的ST12冷軋鋼板制作的搭接 件及對(duì)接件，搭接和對(duì)接布置形式及幾何尺寸如圖2 所示，搭接量為50 mm,板料預(yù)制孔均為直徑6 mm通 孔，螺檢和鉚釘材料均為SUS201,直徑均為6 mm。
2強(qiáng)度試驗(yàn)分析
通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)量實(shí)心鉚釘鉚接和螺栓 連接的強(qiáng)度。單向拉伸試驗(yàn)在SHIMADZU微機(jī)控 制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)速度為 1 mm • min-1。首先，將板料按圖2所示尺寸鉆孔， 將對(duì)接件試驗(yàn)所需的板料按圖示尺寸進(jìn)行90°折彎，
圖3鉚釘、螺栓搭接件載荷-行程曲線 Fig. 3 Load-stroke curves of lap shear joints
可以看出，螺栓連接件的抗剪強(qiáng)度要略大于實(shí) 心鉚釘?shù)目辜魪?qiáng)度。在試驗(yàn)起始階段，實(shí)心鉚釘連 接的載荷與位移近似成比例關(guān)系，此階段可看作是 材料的彈性變形階段，此曲線的斜率近似于材料的 彈性模量。而螺栓螺紋與預(yù)制孔之間為間隙配合， 在螺栓螺紋拉伸初始階段由于間隙的作用而出現(xiàn)一 小段稍平坦的曲線，而后迅速上升。實(shí)心鉚釘彈性 變形階段曲線的斜率比螺栓的要大，這主要是由于 實(shí)心鉚釘在鉚接過(guò)程中被鐓粗，與鉚釘孔有充分的
