铆钉结构材料非线性分析

陈大汉 赵杰

安徽省建筑工程质量第二监督检测站，中国·安徽 合肥 230000

1 引言

在铆钉结构使用时非线性特征明显，对结构材料非线性分析具有重要意义。基于此，专家学者对铆钉结构受力性能及非线性特性做了一系列研究。苏明周[1]等人在预紧力以及抗剪承载力两方面研究了栓群效应对于环槽铆钉连接的纵向接缝承载力的影响。Christophe[2]探索了一种使用创新碳纤维增强聚铆钉的替代紧固解决方案。法洋洋[3]提出混合失效准则研究铆钉结构的破坏机理。上述研究对铆钉结构材料非线性的探索十分有限，论文基于ANSYS对铆钉结构进行材料非线性分析，通过建立有限元模型进行结构模态、静力和非线性分析，以此研究材料非线性对结构模态、位移和应力的影响。

2 结构模型

论文选取硬度高、防锈耐腐蚀的半空心铆钉作为研究对象，由凸头、杆体和盲孔三部分组成，结构实物和尺寸如图1所示。文中采用ANSYS的GUI操作直接进行建模，模型均为Solid 185单元，材料为钢材，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.30，密度为7850kg/m3，屈服强度为345MPa。

图1 半空心铆钉结构实物和尺寸图

3 静力分析

3.1 模态分析

表1为ANSYS计算铆钉结构前4阶模态的自振特性，分析可知：1阶固有频率小于2Hz，最大变形量为1.42mm；第2、3和4阶固有频率相差较大，表现为铆钉前端的较大变形，最大变形量为1.48mm。

表1 结构自振特性参数

3.2 静力结果分析

由静力计算可知，铆钉结构最大总位移为3.02mm，在杆体盲孔顶端截面处。结构最大Y向位移为3.00mm，表明结构变形以Y方向变形为主。第一和第三主应力云图均没有出现拉应力，对结构较为有利，最大压应力分别为105.05MPa和51.64MPa，均分布在杆端位置。

4 非线性分析

4.1 基本概念与原理

在ANSYS有限元分析时，原弹性矩阵是有关应变和位移的函数。分析结构非线性问题主要有3类方法：增量法、迭代法和最小化法，由于迭代法计算结果比较精确，适用高度非线性问题，本文采用此类方法，其原理为：

由于结构的刚度矩阵是几何变形的函数，设结构几何变形为λ，结构的平衡方程为一非线性方程组，即式（1），其中，K为结构刚度矩阵，R为结构抗力。

4.2 计算结果分析

铆钉结构非线性计算结果位移和应力云图分别如图2所示。前2步的最大位移分别是1.81mm和1.42mm，前2步的最大应力分别为68.6MPa和51.09MPa，最大位移和应力均出现在杆体盲孔处且前2步变形和应力情况较相似，变形和应力由杆体和凸头连接位置到杆体盲孔断面逐渐增大，表明结构变形最危险位置为盲孔处的杆体，造成此现象的主要原因为孔洞的出现，导致结构应力集中。

图2 非线性不同荷载步位移和应力云图

5 结论

论文基于ANSYS对铆钉结构进行材料非线性分析，研究发现：

①结构最大总位移和Y向位移分别为3.02mm和3.00mm，主应力云图均无拉应力分布。

②结构非线性变形和应力分布均由杆体和凸头连接位置到杆体盲孔断面逐渐增大。

③由于盲孔的设置造成应力集中，结构最危险位置在杆体盲孔断面周围。