鈦合金干涉螺栓應力波安裝質量模擬研究

曹增強, 楊曉娜，左楊杰，仇繼偉

(現代設計與集成制造教育部重點實驗室(西北工業大學)，西安 710072)

機械連接具有高可靠性、便拆卸、傳載大等優點，是現代飛機裝配最主要的連接方式之一[1-3].干涉螺接方法可成倍提高接頭的疲勞壽命[4-5]，鈦合金高鎖螺栓以其高比強度、長疲勞壽命等優點被廣泛應用于干涉螺接結構中，例如B747裝配過程中鈦合金高鎖螺栓的使用數量達到4萬枚[6].

鈦合金干涉高鎖螺栓的安裝質量對于接頭強度和疲勞壽命具有重要影響[7-8].普通的安裝方法包括冷縮和強迫安裝.其中，冷縮法利用冷卻液對干涉螺栓實施冷縮安裝，成本較高，可安裝干涉量小，如液氮冷卻安裝；強迫安裝利用拉、壓等方式完成干涉螺栓安裝，安裝過程視為準靜態過程，操作簡便，成本較低，但安裝損傷較大，可安裝干涉量小，如壓力機安裝、拉槍安裝等.對于強迫安裝方法，姜杰鳳等[9-10]利用數值模擬和實驗對M8鈦合金高鎖螺栓壓鉚安裝工藝進行了研究，發現安裝孔出口0.2×120°倒角可有效減小凸瘤并降低局部應力集中.Brady等[11]研究發現，干涉量較大時強迫安裝容易造成孔口裂紋； Li等[12]亦發現，鈦合金干涉高鎖螺栓強迫安裝易造成復合材料結構孔壁局部分層.然而，隨著大型軍用和民用飛機的興起，大直徑、厚夾層、高干涉量鈦合金高鎖螺栓需求不斷增加，普通方法難以滿足其安裝要求.應力波安裝是解決此類問題的有效方法，其安裝干涉量大、安裝損傷小[13-14]，但其安裝機理目前尚不完全清楚，對于安裝工藝的系統分析尤其缺乏，導致這一工藝的應用受到限制.

本文建立了夾層厚度29 mm的M8鈦合金高鎖螺栓應力波安裝模型，對其安裝工藝參數進行分析，并進行了相應的安裝試驗驗證，為鈦合金高鎖螺栓應力波安裝的工程應用提供工藝指導.

1 安裝模擬

利用ABAQUS/Explicit分析模塊建立鈦合金高鎖螺栓應力波安裝模型，對比分析干涉量、摩擦因數和安裝次數對安裝阻力和凸瘤的影響，優化安裝工藝.

1.1 幾何模型

圖1為有限元模型的幾何結構示意圖，其中：d為高鎖螺栓直徑，L為高鎖螺栓光桿長度，t1、t2為單層板厚度，D為安裝孔直徑，W為層板寬度，e為孔邊距.幾何模型詳細參數見表1.參照我國某型號飛機厚夾層接頭，選用M8的Ti-6Al-4V平頭高鎖螺栓為安裝對象，為了保證收斂性和降低運算量，模型中忽略螺栓螺紋部分，選用雙層7075-T651鋁合金層板，安裝孔入口處倒0.8 mm圓角.安裝模型名義寬徑比W/d=6，名義端距比e/d=4，可忽略邊距效應[15].如表2所示，對3組典型的相對干涉量I進行模擬分析，其中,I滿足

(1)

圖1 鈦合金高鎖螺栓安裝模型幾何結構示意圖

Fig.1 Geometry model of titanium hi-lock bolt installation

表1 試樣幾何參數

表2 數值模擬中的相對干涉量

1.2 模擬過程

鈦合金高鎖螺栓安裝模型的網格劃分和邊界條件如圖2所示.為提高運算效率，取1/4試樣建模，采用具有增強沙漏控制的三維8節點線性減縮積分單元C3D8RT劃分網格，對螺栓與孔壁的接觸部分進行網格加密.在Interaction模塊中，為防止材料之間互相嵌入，在螺栓光桿及導入部和疊層板孔壁、上層板下表面和下層板上表面之間定義為主被動面接觸對.模擬采用庫倫摩擦模型τ=μσ，模型中將摩擦因數簡化為固定值μ=0.05，該值是在含有潤滑劑情況下所得試驗數據的中間值[16].

圖2 安裝模型網格劃分和邊界條件

Fig.2 Meshing and boundary conditions of titanium hi-lock bolt installation model

在Step模塊中，通過設置歷史變量輸出讀取接觸處的安裝阻力分布.對模型長度方向的端面施加固定約束，對對稱面施加對稱約束，上層板頂面施加均布載荷q=2 MPa，模擬疊層板的預緊壓力.采用熱力耦合動態分析步，根據加載試驗結果將分析步時長設置為2 ms，為高鎖螺栓建立參考點并將其與螺栓頭頂面耦合約束.考慮到應力波安裝速度高，且螺桿長度相對較短，將安裝過程簡化為動態勻速加載，對參考點施加均勻位移載荷.

M8鈦合金高鎖螺栓與試樣材料屬性見表3和表4[17]，其中：E為彈性模量，υ為泊松比，ρ為材料密度，σr0.2為材料屈服強度，σb為材料抗拉強度，α為熱膨脹系數，λ為熱傳導率，c為比熱容.

表3鈦合金高鎖螺栓和鋁合金層板材料力學性能

Table 3 Mechanical properties of titanium hi-lock bolt and aluminum sample

MaterialE/GPaυρ/(kg·m-3)σr0.2/MPaσb/MPaTi-6Al-4V(Bolt)1100.304840137014507075-T651(Plate)720.332820505572

表4鈦合金高鎖螺栓和鋁合金層板材料物理性能

Table 4 Physical properties of titanium hi-lock bolt and aluminum sample

Materialα/(10-6K-1)λ/(W·m-1·K-1)c/(J·kg-1·K-1)Ti-6Al-4V(Bolt)8.815.29607075-T651(Plate)20.5130.02562

2 試驗驗證

為了對有限元分析結果進行驗證，利用西北工業大學生產的EMR-1000半自動化電磁鉚接設備進行M8的Ti-6Al-4V平頭高鎖螺栓安裝試驗，安裝設備和試樣如圖3所示.其中，安裝槍重20 kg，電磁鉚接設備放電回路電感28 μH，放電電容18.8 mF，等效電阻23 mΩ，線圈匝數為34匝.試件材料和厚度與有限元模擬時的相同，試件兩端通過螺栓連接固定以避免安裝孔錯位，試件長280 mm，寬92 mm.每組試件設計10個螺栓安裝孔，寬度方向孔距42 mm，長度方向孔距50 mm，邊距效應可以忽略.安裝過程中，以螺栓頭與試件表面目測貼合作為安裝成功判斷標準.為了保證干涉量的準確度，安裝孔采用1次鉆孔+3次鉸孔的方式加工.參數研究中每組參數做3次試驗，以減小偶然誤差.

試驗中，利用石英壓力傳感器對安裝阻力進行測量.安裝結束后，利用IFM-G4表面質量測量儀對安裝孔出口處進行掃描，測量最大安裝凸瘤高度.利用線切割技術解剖試件，采用SEM掃描電鏡對安裝表面形貌進行觀察.由于上層板件所受安裝擠壓時間最長，孔壁變形最明顯，因此試驗觀察點位選取上層板件中間孔壁位置.

圖3 安裝設備和試樣

3 結果與討論

3.1 安裝阻力

安裝干涉緊固件時,干涉量引起安裝阻力，過高的安裝阻力導致安裝困難，甚至造成緊固件無法安裝.圖4為1.0%、1.5%和2.0%干涉量下模擬和試驗的安裝阻力變化曲線.由圖4可知：安裝阻力模擬值與試驗值變化趨勢一致，安裝阻力隨安裝位移的增加而增加；由于試驗過程中應力波在疊層板之間不斷反射疊加，試驗值呈波動上升且高于模擬值，模擬值呈平滑上升；干涉量的增加引起安裝阻力斜率上升，并導致更高的最終安裝阻力.對比姜杰鳳等[9]的研究結果，應力波安裝方法最終安裝阻力明顯小于相同條件下靜態安裝阻力，1.0%、1.5%和2.0%干涉量最終安裝阻力模擬值分別為3.67、4.28和4.63 kN，與試驗值相對誤差分別為8.25%、24.11%和24.22%.

圖4 不同干涉量下模擬和試驗得到的安裝阻力

Fig.4 Simulation and test results of the installation resistance at different interference fit sizes

安裝接觸面摩擦因數對安裝摩擦阻力有重要影響，然而試驗中摩擦因數的影響因素復雜，難以定量研究，本文利用數值模擬對摩擦因數μ=0.05、0.10和0.15進行研究，結果見圖5.由圖5可知：1.0%、1.5%和2.0%干涉量下，最終安裝阻力對摩擦因數均十分敏感;μ=0.15時最終安裝阻力分別達到μ=0.05時的2.95倍、3.02倍和3.17倍.綜上所述，降低安裝接觸面摩擦因數對降低安裝阻力的有顯著效果，工程應用中應通過提高孔壁和螺栓表面光潔度、增加潤滑劑等方式降低安裝阻力.

實際工程中，由于高干涉量、厚夾層等原因導致安裝阻力過大，緊固件無法一次安裝到位，需要二次甚至多次安裝.

圖5干涉量1.0%、1.5%和2.0%下摩擦因數μ=0.05、0.10和0.15時的最終安裝阻力模擬值分布

Fig.5 Peak value distributions of installation resistance at interference fit size 1.0%, 1.5%, and 2.0% corresponding toμ=0.05, 0.10 and 0.15, respectively in simulations

二次安裝過程中，由于安裝次數之間存在時間間隔，孔壁材料發生冷作硬化，緊固件桿與安裝孔壁接觸面的粘著效應增加，再次安裝時需要大幅度提高加載幅值以驅動緊固件安裝.圖6為高干涉量2.0%下一次安裝和首次安裝70%后再次安裝的安裝阻力試驗和模擬結果對比圖.

由圖6可知：二次安裝下初始安裝阻力陡然上升，需要大幅度增加安裝應力波幅值驅動螺栓安裝，安裝難度明顯提高; 二次安裝時最終安裝阻力的模擬值和試驗值較一次安裝分別提高了14.6%和14.5%，模擬值得到驗證.因此，工程應用中應避免使用二次或多次安裝，以減小安裝難度.

3.2 最大凸瘤高度

凸瘤是導致接頭應力集中的重要原因之一，同時引起疊層板局部分離，加快局部摩損腐蝕，易成為連接接頭損傷的萌生點.在相同安裝情況下，凸瘤越高，應力集中越明顯，最大凸瘤高度是安裝質量的間接評估標準之一.本文中最大凸瘤高度的模擬值通過讀取安裝孔出口處節點沿安裝方向的最大位移獲得，最大凸瘤高度的試驗值利用IFM-G4表面質量測量儀測量安裝孔出口處材料相對未變形試件表面凸出的最大值獲得.

不同干涉量下的最大凸瘤高度模擬值及試驗驗證如圖7(a)所示，可知：最大凸瘤高度隨干涉量增大呈線性增長，模擬值與試驗值較吻合；干涉量2.0%時，最大凸瘤高度模擬值達到0.073 mm.圖7(b)為摩擦因數對最大凸瘤高度影響的模擬結果，由圖可知：當干涉量為1.0%和1.5%時，摩擦因數增大，最大凸瘤高度增加不明顯；當干涉量為2.0%時，最大凸瘤高度對摩擦因數十分敏感，μ由0.05增加到0.15時，最大凸瘤高度由0.073 mm急劇增加到0.201 mm.

圖62.0%干涉量下一次和二次安裝時的安裝阻力對比

Fig.6 Comparison of installation resistances driving by one time and two times at interference fit size 2.0%:(a) simulation results; (b) test results

對于多次安裝，緊固件表面潤滑油遭到破壞，再次安裝時摩擦系數增大，安裝孔壁表面剪切損傷增加，孔壁材料隨著安裝方向的流動性增多，形成較高凸瘤.對干涉量2.0%下的一次安裝和二次安裝最大凸瘤高度進行試驗測量，結果發現，二次安裝下最大凸瘤高度是一次安裝的1.6倍，最大凸瘤高度高達0.116 mm.由此可見，工程實踐中應盡量選取許用范圍內較低安裝干涉量，避免二次安裝緊固件.1.0%～1.5%干涉量下，摩擦因數可選用0.1～0.15，以獲得較好的經濟性和實用性，高干涉量時(如2.0%)，建議采用摩擦因數0.05～0.1以降低最大凸瘤高度.

圖7 干涉量(a)和摩擦因數(b)對最大凸瘤高度的影響

Fig.7 Influence of interference fit size (a) and friction coefficient (b) on peek protuberance height

3.3 孔壁表面形貌

安裝孔壁表面質量是衡量緊固件安裝接頭質量的重要指標之一.緊固件動態安裝過程中，螺栓對孔壁進行擠壓，孔壁發生彈塑性變形.合適的擠壓可實現孔壁強化，抑制微小裂紋擴張，增加接頭疲勞壽命.高鎖螺栓安裝前孔壁形貌如圖8所示，安裝前孔壁鉸孔痕跡清晰，沿安裝方向呈階梯狀分布，孔壁凹坑明顯，表面質量較差.

圖8 安裝前孔壁表面形貌

圖9為不同干涉量下螺栓安裝后上層板件孔壁等效塑性應變模擬值分布和試驗得到的表面形貌對比.由圖9可知：干涉量1.0%時，安裝孔壁開始發生小量擠壓，孔壁塑性變形很小，開始形成貫通壓痕，鉸孔痕跡依然可見；干涉量1.5%時，孔壁擠壓程度加深，孔壁塑性變形明顯，鉸孔痕跡消失，孔壁形成清晰均勻的貫通壓痕；當干涉量增加到2.0%時，孔壁發生大量塑性變形，安裝孔出口觀查到孔壁材料擠出，孔壁發生切削損傷，表面形成明顯犁溝，拉伸載荷下犁溝凹陷處易引起應力集中，不利于接頭傳載.綜上考慮，1.5%干涉量下孔壁表面質量優于1.0%和2.0%干涉量.

圖9 干涉量對安裝孔壁變形的影響

Fig.9 Influence of interference fit size on surface quality of installation hole:(a) distribution of equivalent plastic strain (PEEQ) in simulation; (b) surface quality of installation hole examinated by SEM

干涉量2.0%下，二次安裝孔壁表面形貌如圖10所示，可以看出，與一次安裝相比，二次安裝由于安裝次數存在時間間隔，首次安裝后孔壁表面易發生冷作硬化，形成明顯表面層疊累積，但此現象對接頭強度和疲勞壽命的影響有待進一步研究.

圖10 二次安裝下孔壁表面形貌

Fig.10 Surface quality of installation hole examinated by SEM driving by two times

4 結 論

1)本文建立了M8厚夾層鈦合金高鎖螺栓應力波安裝模型，結合試驗對其主要安裝工藝參數進行了對比分析，驗證了有限元模型的正確性.

2)同等條件下，應力波安裝阻力低于強迫安裝，增加干涉量將引起安裝阻力顯著上升；低干涉量下，安裝阻力受摩擦因數影響不明顯，選用摩擦因數0.1～0.15具有較好經濟性和實用性；高干涉量下，安裝阻力對摩擦因數十分敏感，建議采用摩擦因數0.05～0.1以有效降低安裝難度和最大凸瘤高度.

3)1.0%干涉量下孔壁僅發生小量塑性變形，并開始形成貫通壓痕，但鉸孔痕跡依然可見；2.0%干涉量時孔壁發生大量塑性變形，孔壁發生劃傷，犁溝清晰可見；1.5%干涉量下孔壁擠壓塑性變形明顯，鉸孔痕跡消失，孔壁形成清晰均勻的貫通壓痕，孔壁表面質量最優.

4)二次安裝導致最終安裝阻力大幅上升，最大凸瘤高度是一次安裝的1.6倍，安裝孔壁形成明顯表面層疊累積，工程應用中應避免使用.

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