铆接连接件疲劳寿命预估

谢赛元

摘要：本文结合铆接在城轨系统上的应用，考虑铆接厚度、开孔尺寸等几何尺寸对铆钉疲劳寿命的影响，通过采用应力严重系数修正后名义应力方法预估铝合金抽芯铆钉疲劳寿命，并与实验值进行比对分析，验证预估模型的准确可靠。

关键词：铆接;应力严重系数;铆钉疲劳寿命

0  引言

铆接应用于牵引系统上会成为一种趋势，而铆接构件长期承受承受高频交变疲劳载荷作用，导致构件的疲劳寿命远低于材料本身的寿命，构件的疲劳失效直接影响牵引系统的可靠性。因此研究牵引系统铆接构件的疲劳可靠性依然成为一种必要需求。对于金属疲劳寿命计算方法可归结为两类，一类是基于S-N方法，用Miner[1]损伤积累规律处理，另一类是基于断裂力学[2]。S-N方法，从最初O.H.Basquin提出利用S-N曲线来描述疲劳行为开始，后续很多研究者在此基础上不断优化与改进描述S-N曲线。如，Bairstow提出一种描述S-N曲线的经验规律，指出应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系[3]。L.F.coffin和S.S.Manson提出了塑性应变与疲劳寿面之间的经验公式，即Manson-Conffin公式[4]。

疲劳损伤评估存在大量的不确定性，控制疲劳损伤的参数可以设定为随机变量建模。众所周知，用于疲劳评估的传统确定性方法在大多数情况下导致保守估计。如果不考虑所涉及的不确定性，就不能保证结构的安全。

应力严重系数不仅仅反映了结构连接件孔边的应力集中程度，而且还包含了两个影响连接件疲劳寿命的关键参数：即空表面加工质量和孔的装配情况，所以它反映了结构连接件孔的疲劳特征。应力严重系数是一个反映结构连接件的疲劳品质的无量纲参数。在寿命估算中，将它作为当量的应力集中系数KT。为了对复杂结构的疲劳寿命分析做出更准确的估计，本文在应力严重系数疲劳评定方法的基础上，获得铆钉的疲劳寿命曲线。并通过铆接疲劳试验，将试验结果与评估结果进行对比，验证了该方法的有效性。

1  铆钉连接件疲劳寿命预估

1.1 应力严重系数（SSF）计算

铆接板所承载荷分为两个部分：一部分由旁路通过，称之为旁路载荷Ppl;另一部分通过紧固件传走，称之为钉传载荷Pdc。

1.2 寿命预估

标准试样的疲劳寿命取决于材料的性能和所施加的载荷。这种表示外加载荷和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的S-N曲线。S代表标准试样所受的应力水平，N代表相应载荷条件下的疲劳寿命。

S-N曲线是材料处于弹性应变时，内应力与循環次数之间的关系曲线。此时，疲劳寿命通S和N的关系近似地符Basqin经验方程：

2  疲劳试验

2.1 试件结构

铆接板和铆钉材料分别是304不锈钢和5052铝合金。铆钉选用AD65，如图1所示，铆钉钉体直径D为4.8mm，钉芯直径M为2.6mm。拉伸试验铆接板如图2所示，板宽为40mm，板厚为7mm，铆接底孔4.9mm，孔居中。剪切试验铆接板如图3所示，板宽为40mm，板厚为7mm，铆接底孔4.9mm，孔居中。

2.2 疲劳试验设计

为准确获得疲劳试验的载荷分级设计，疲劳试验前对铆接连接件进行静载拉伸破坏试验和静载剪切破坏试验，如图4和图5所示，确定其静态拉伸破坏载荷值为3.916kN，静态剪切破坏载荷值为3.572kN。

根据静载试验值以及已有疲劳试验研究[5][6]，取试验件的第一级载荷的幅值Fmax。

2.3 试验结果对比（图4、图5）

3  总结

从理论计算结果与实际试验数据对比情况来看，基本能在一个数量级别上。对理论计算结果拟合S-N曲线并与试验结果的S-N曲线对比。从对比结果可以看出，二者曲线走势相同，同样载荷下，试验值比理论值的寿命更小。

参考文献：

[1]Ghiocel D，Wang L.飞机结构可靠性评估的计算进展。参加：第46届AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC结构，结构动力学与材料会议，奥斯汀，德克萨斯州，2005.

[2]施P，Mahadevan S.腐蚀疲劳及多部位损伤可靠性分析[J].国际疲劳，2003，25：457-69.

[3]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：国防工业出版社，2003.

[4]Fatigue reliability assessment of riveted lap joint of aircraft structures.

[5]陈福玉.航空铆接连接件疲劳寿命研究[D].南京航空航天大学，2011.