电磁铆接过程及接头力学性能数值模拟与试验

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电磁铆接是一种新型铆接工艺,具有高能率加载、微秒级成形的特点,可以沿整个钉杆形成均匀的干涉量,提高铆接质量,有效解决钛合金、复合材料结构的连接及大直径和难成形材料铆钉的成形问题。本文采用数值模拟和试验研究相结合的方法,构造了高应变速率作用下的材料模型,进行电磁场和变形—温度场耦合下的电磁铆接数值模拟及铆接接头剪切性能的数值模拟,并结合电磁铆接工艺试验及铆接接头剪切强度试验研究了工艺参数对铆钉成形和接头强度的影响。采用霍普金森压杆试验得到了常温和加热状态下的2A10铝合金材料的动态压缩性能,结合准静态力学试验,拟合出2A10铝合金Johnson-Cook材料模型及5083铝合金材料幂指数塑性材料模型,分别作为铆钉、铆接板的材料模型。利用ANSYS/MULTIPHYSICS模块进行了电磁场数值模拟,研究结果表明在等电容的条件下,随着放电能量的不断升高,磁压力峰值不断增大,且从驱动片中心向两侧衰减的幅度不断增大。在等放电能量条件下,随着电容的增大,放电周期不断增大,可为铆钉提供更大的动量。利用ANSYS/LSDYNA模块进行了铆钉变形—温度耦合场数值模拟以及铆接接头剪切试验数值模拟。研究结果表明,铆钉在变形过程中分为若干变形区。在应变与应变速率强化效应和温度软化效应的共同作用下,铆钉镦头呈现变形局部化的特点,形成剪切带。铆钉变形完成时间大于磁压力作用的时间。随着等电容的条件下放电能量的不断增大,以及等放电能量条件下电容的不断增大,成形的镦头直径不断增大,镦头高度不断减小,钉杆的干涉量逐渐增大,铆接板的残余应力值逐渐增大。剪切试验模拟结果表明,铆接结构的破坏形式为铆钉的断裂,剪裂区域位于铆接上下板交界处。随着等电容的条件下放电能量的不断增大,以及等放电能量条件下电容的不断增大,铆接接头强度不断升高。进行了不同工艺参数下的电磁铆接工艺试验及铆接接头剪切性能试验,并利用剖面和金相观察,研究了工艺参数对镦头变形尺寸、铆钉的干涉量以及接头剪切强度的影响规律。将试验结果与数值模拟结果进行对比,镦头直径偏差在1%以内,镦头高度偏差在1mm以内,钉杆干涉量偏差在3%以内,铆接接头剪切强度偏差在10%以内,且试验结果与数值模拟结果的规律一致。由此说明,模拟结果较为真实的反映了实验结果。
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