武器装备性能的提高依赖于先进材料和先进工 艺,其中损伤容限型 TI-6AL-4VELI钛合金材料及 其紧固件具有质量小、强度高、韧性好、耐低温、耐腐 蚀等优点,广泛应用于航空航天、医疗器械以及深潜 器载人等领域。随着计算仿真技术的发展,学者们 逐渐使用有限元仿真分析方法对紧固件的力学性能进行研究。郭晓宁等[1]采用有限元仿真分析方法研 究了不同接头厚度条件下,配合精度与安装力矩产 生的弯曲应力对紧固件强度的影响。胡龙等[2]对三 维编织复合材料用紧固件进行了试验和有限元数值 仿真分析,通过双剪试验分析了圆柱销的极限破坏 剪力和断裂形式,建立了三维编织复合材料强度分 析方法,并采用有限元分析软件研究了剪切作用下 材料的失效破坏过程。杜强等[3]针对复合板材用紧 固件,开发了剪切试验装置,并探索了复合板材双剪 切试验方法,获得了复合板材用紧固件的力学性能。

对紧固件在受剪切载荷下的失效模式和影响因素研 究较少。笔者利用有限元仿真软件,建立了相应剪 切失效数值仿真方法及预测模型,形成了相应的仿 真数据库;采用仿真结合试验,研究了剪切速率、装 配尺寸、刃口半径等因素对其服役性能的影响,研究 了各因素对材料最终力学性能的影响程度,为紧固 件产品设计及优化提供了理论依据,对于后续产品 优化具有重要的指导意义。

1、试验材料及原理

1.1 试验材料

螺栓和螺母的材料为 Ti-6Al-4VELI钛合金。

为确保有限元模型中材料参数的准确性,首先参考GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,对 Ti-6Al-4VELI钛合金材料进行 准静态棒料拉伸试验,以获得材料的名义应力-名义 应变曲线;然后进行计算,将名义应力-名义应变曲 线转化为真实应力-真实应变曲线,得到材料的弹性 和塑性参数;根据得到的材料参数,建立 Ti-6Al-4VELI棒料拉伸有限元仿真模型,以验证材料参数的 准确性。棒料拉伸有限元模型的单元类型为八节点 六面 体 减 缩 积 分 单 元 (C3D8R),单 元 大 小 约 为0.5mm,模型的边界条件如图1所示。

图2为 Ti-6Al-4VELI试样断裂后的应力和等 效塑性应变云图。由图2可知:在试样受单轴拉伸 载荷的过程中,试样经历了弹性变形阶段、塑性变形 阶段和颈缩过程,直至断裂。有限元拉伸模型获得 的 Ti-6Al-4VELI钛合金名义应力-名义应变曲线 如图3所示,有限元仿真结果与准静态棒料拉伸试 验结果吻合良好,证明了有限元建模中使用材料的参数具有较好的准确性。

1.2 试验原理

双剪试验是检测螺栓抗剪强度的重要方法之 一。双剪试验的受力模型如图4所示,在双剪试验 装置加载过程中,垂直于螺栓纵轴的两个横截面受 剪切作用直至发生断裂,以测定其抗剪性能。在双 剪试验过程中,剪切面所受的剪力与横截面积有关。

2、螺栓双剪试验有限元建模

2.1 理想条件下的有限元建模

使用有限元分析软件对螺栓双剪试验过程进行 仿真分析,结果如图5所示,几何模型按双剪试验标 准中双剪试验装置相关参数建立。由图5可知:模 型整体由3个部分组成,分别为受载的上剪刀、固定 在基座内的下剪刀以及螺栓。

在双剪试验过程中,螺栓是主要的研究对象,与 螺栓的变形相比,上、下剪刀的变形很小,因此为了 节省仿真的计算成本,在模型中将上、下剪刀定义为 刚体。螺栓断裂过程需要经历较大的变形,因此在显式分析过程中,选择几何大变形选项。为了在仿 真结束之后对螺栓剪力进行分析,在输出选项的积 分截面管理器中将螺栓受剪截面与参考点耦合,并 在历程输出中单独监测螺栓截面的剪力。

有限元仿真模型中螺栓的材料为 TI-6AL-4VELI钛合金,上、下剪刀的材料为螺栓双剪试验标准 中推荐的 T10钢,在划分网格之后,将上、下剪刀设 置为刚体,并与参考点耦合(见图6)。 

针对接触方式的选择,使用通用接触的方式建立 了上、下剪刀和螺栓之间的接触关系,防止在仿真过 程中螺栓和剪刀之间出现网格穿透现象。此外,使用 面面接触方式对上剪刀与螺栓、下剪刀与螺栓进行了接触设置,且接触面法向方向使用硬接触属性。

针对边界条件的设置,由于下剪刀始终固定在基 座中,因此在有限元模型中将下剪刀底面完全固定。

同时,为了模拟螺栓双剪试验过程中的真实加载过 程,减轻材料应变率对仿真结果的影响程度,在设置 边界条件时,没有对上剪刀施加位移载荷,而是施加 了压力载荷,且压力载荷的加载速率为666.7N/s。

网格单元的质量对仿真结果至关重要。在建模 过程中,使用扫掠技术,结合六面体单元对螺栓进行 网格划分,网格类型为 C3D8R。为了提高仿真结果 的准确性,将螺栓划分为多个区域,并对螺栓受剪区 域的网格进行了细化,划分网格后的有限元模型如 图7所示。

2.2 不同因素对有限元建模的影响

由于螺栓双剪试验装置存在制造和测量误差,试验结果可能会受到不同程度的影响。影响试验结 果的因素主要包括:剪切装置的圆角半径、剪切载荷 施加的速率(剪切速率)、上下剪刀的间隙(剪切间 隙)等。双剪试验标准中对上述因素进行了数值范 围上的约束,但不同因素对双剪试验结果的影响程 度不同。利用有限元分析方法,对剪刀圆角半径、剪 切速率以及剪切间隙等因素进行建模仿真,并与理 想条件(无圆角、无间隙、剪切速率为666.7N/s)进 行对比,分析不同因素对螺栓双剪试验结果的影响。

2.2.1 剪刀圆角及剪刀间隙

在实际制造过程中,剪刀刃口的形状为圆弧状,圆弧曲率半径即为刃口半径。刃口直接参与剪切过 程,刃口半径对螺栓双剪试验结果会造成影响。在 上剪刀刃口处对模型建立圆角(见图8),考虑不同 刃口半径对螺栓双剪试验结果的影响。

除剪刀的刃口半径外,剪切间隙直接影响了剪 刀和螺栓之间的接触面积,同样会对螺栓双剪试验 结果产生一定的影响。在模型中将上剪刀宽度与刃 口半径进行修改,然后重新对网格单元进行划分,由 于刃口处圆角的存在,使用四面体网格是较为合理 的选择,因此将上剪刀使用自由网格技术划分为四 面体网格,网格单元类型为 C3D10M,划分网格后的 上剪刀有限元模型如图9所示。

2.2.2 剪切速率

螺栓双剪试验有限元模型的加载方式为压力载 荷加载,剪切速率受试验设备位移速率的影响,因此 需对高于和低于标准剪切速率的两种情况进行仿真 分析,螺栓双剪试验仿真方案如表1所示。

2.2.3 实际螺栓双剪试验结果

为了验证实际试验结果与有限元仿真结果的吻 合度,开展了实际螺栓双剪试验,并将实际试验结果 与理想条件下螺栓双剪试验的有限元仿真结果进行 对比,实际螺栓双剪过程中上剪刀位移曲线及上剪 刀加载力曲线分别如图10,11所示。由图10,11可 知:实际试验结果与有限元仿真结果吻合较好,说明 有限元仿真结果具有较高的准确性。

3、综合分析

3.1 刃口半径对螺栓双剪试验结果的影响

图12为剪切速率为666.7N/s、上剪刀宽度为5.995mm 条件下,不同刃口半径下螺栓双剪试验 结果。由图12可知:当刃口半径为0.2mm 时,有 限 元 仿 真 结 果 获 得 的 截 面 剪 力 最 低,约 为12900N,实际仿真结果与理想条件仿真结果之间 的误差最小,约为0.6%,仿真结果十分接近理想条 件;当刃口半径为0.1mm 时,有限元仿真结果获得 的截面剪力最大,仿真结果与理想条件仿真结果之 间的误差最大。 

不同刃口半径下螺栓断裂前的应力云图如图13所示。由图13可知:当刃口半径为0.3mm 时,螺栓断裂前的应力水平最低,螺栓沿上剪刀运动方 向的位移较小,最大应力集中在剪切区域;当刃口半 径为0.1mm 时,螺栓断裂前的应力传播较为均匀。

3.2 剪切间隙对螺栓双剪试验结果的影响

图14 为 刃 口 半 径 为 0.2mm,剪 切 速 率 为666.7N/s条件下,不同剪切间隙下螺栓双剪试验 结果。由图14可知:当剪切间隙为0.0025mm 时,仿真得到的螺栓抗剪能力最弱,实际仿真结果与理 想条件仿 真 结 果 之 间 的 误 差 最 小;当 剪 切 间 隙 为0.0125mm 时,仿真结果与理想条件仿真结果之间 的误差最大,约为8%。 

不同剪切间隙下螺栓断裂前的应力云图如图15所示。由图15可知:不同剪切间隙下螺栓断裂 前的最大应力水平十分接近,当剪切间隙为0.0125mm 时,螺栓受剪切作用发生变形的区域较大,且 与上剪刀接触部分的螺栓轴向长度较小;随着剪切 间隙的增大,单个螺栓截面的剪力逐渐增加。 

3.3 剪切速率对螺栓双剪试验结果的影响

不同剪 切 速 率 下 螺 栓 双 剪 试 验 结 果 如 图 16所示。由图16可知:剪切速率对试验结果的影响 较小,3种剪切速率下仿真结果与理想条件仿真结 果较为接近;当剪切速率为866.7N/s时,仿真结 果与理想条件仿 真 结 果 的 误 差 仅 为 1%。表 明 在 螺栓双剪试 验 过 程 中,剪 切 速 率 对 试 验 结 果 影 响 不大。

不同剪切速率下螺栓断裂前的应力云图如图17所示。由图17可知:不同剪切速率下螺栓断裂 前的最大应力水平十分接近,螺栓的应力分布水平 也比较接近。剪切速率未对螺栓双剪试验的有限元 仿真结果造成明显的影响。

3.4 不同因素对螺栓服役性能的影响

为了进一步研究剪切速率、刃口半径、剪切间隙 等因素对螺栓服役性能的影响规律,分别计算了螺 栓双剪试验有限元仿真中不同参数下螺栓在剪切作 用下截面吸收的能量,并与理想条件下的能量吸收 进行对比。

不同刃口半径下剪刀位移及螺栓截面吸收的能 量如图18所示。由图18可知:当刃口半径为0.1,0.3mm 时,螺栓截面在断裂前吸收的能量较高,能 量吸收能力分别增加了8.85%和8.67%;当刃口半 径为0.2mm 时,螺栓截面在断裂前吸收的能量与理 想条件仿真结果相比略有下降。

在实际螺栓双剪试 验过程中,应对剪切装置的刃口半径进行合理控制。

不同剪切速率下剪刀位移及螺栓截面吸收的能 量如 图 19 所 示。 由 图 19 可 知:当 剪 切 速 率 为666.7,866.7N/s时,螺栓截面在断裂前吸收的能量 比较接近,与理想条件仿真结果有差距;当剪切速率 为366.7N/s时,螺栓截面在断裂前吸收的能量比 理想条件仿真结果高。说明在螺栓双剪试验过程 中,应按试验标准规定的剪切速率进行试验。

不同剪切间隙下剪刀位移及螺栓截面吸收的能 量如 图 20 所 示。 由 图 20 可 知:当 剪 切 间 隙 为0.0025mm 时,螺栓的能量吸收能力与理想条件仿 真结果较为接近;当剪切间隙为0.0075mm 时,螺 栓的能量吸收能力提高了 48.13%。因此,应合理 控制剪切间隙,以降低试验结果的误差。 

4、结论

参考螺栓双剪试验标准建立了螺栓双剪试验有 限元仿真模型。根据有限元仿真结果,研究了螺栓 在剪切作用下的应力、应变响应;考虑实际的双剪试 验过程,建立不同剪切速率、刃口半径、剪切间隙等 条件下螺栓剪切过程的有限元仿真模型;在此基础 上,分析以上各因素对螺栓剪切性能的影响规律,并 与理想条件的有限元仿真结果进行对比,为优化螺 栓结构以及安装工艺提供参考。

由于剪切速率的误差变动范围较小,相比于刃 口半径和剪切间隙,螺栓双剪过程中剪切速率对试 验结果的影响较小。与理想条件仿真结果相比,不 同参数条件下螺栓吸收的能量都存在不同程度的下 降。剪切间隙对螺栓双剪试验结果影响最大,随着 剪切间隙的增大,仿真结果与理想条件仿真结果之 间的误差逐渐增大。当刃口半径为0.2mm、剪切速 率为666.7N/s、剪切间隙为0.0025mm 时,仿真 结果与理想条件仿真结果之间的误差最小。在进行 螺栓双剪试验时,应严格控制剪切间隙,减少剪切间 隙对螺栓双剪试验结果产生的影响。

参考文献:

[1] 郭晓宁,张绪.厚夹层单剪连接接头中紧固件的强度 分析研究[J].中国科技信息,2012(20):101-102.

[2] 胡龙,刘振国,王一博,等.三维编织复合材料圆柱销 剪切试验与数值模拟[J].北京航空航天 大 学 学 报,2016,42(2):287-293.

[3] 杜强,丁荣,吕晶,等.复合板材双剪切试验方法与装 置[J].长安大学学报(自然科学版),2015,35(6):85- 90. 

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