SWRCH35K 自冲铆接的失效分析与疲劳寿命预测

李萍，宋杰

（1.223002 江苏省 淮安市 江苏电子信息职业学院；2.071028 河北省 保定市 长城汽车股份有限公司）

0 引言

随着航空工业、汽车工业对速度要求的提高，降低产品惯性逐渐成为关注重点，钛合金、镁铝合金、复合材料等轻质材料在这些领域的应用越来越广泛[1-2]。铆接是一种不可拆卸的连接方式，具有抗震、耐冲击、传力均匀、连接稳定、连接可靠性高、成本低等优点[3]，适用于各种金属之间或金属与非金属之间的连接。自冲铆接（Self-piercing riveting，SPR）工艺作为一种新型连接工艺，能有效实现轻量化材料的连接[4]。近年来学者们对复合材料与铝合金薄板的自冲铆接展开研究。段心材等[5]以CFRP 板为研究对象制备胶铆接头，通过剖面直观测量和拉伸-剪切试验分析了CFRP 板厚和铆钉长度对接头力学性能的影响；Liu 等[6-7]研究了铆钉间距对CFRP-铝合金板自冲铆接接头力学性能的影响。周泽杰等[8]利用Deform-2D 有限元软件建立半空心铆钉自冲铆接有限元模型，对铝/钢自冲铆接成形工艺过程及应力分布进行分析；何晓聪等[9-10]分析了复合材料与铝合金板连接接头的成形机理、失效形式、接头质量等；Lin 等[11]提出一种基于有限元模拟和极值梯度助推决策树（XGBoost）算法的SPR 接头交叉拉伸强度预测方法；Iyer 等[12]对不同厚度的铝合金自冲铆接接头进行疲劳试验，发现板料厚度越厚，疲劳寿命的最大疲劳载荷就越高；Moroni[13]研究了粘接与自冲铆接混合接头的疲劳性能，结果表明，在混合接头中，机械紧固降低了粘接层的裂纹扩展速率，从而提高了疲劳寿命；Ufferman 等[14]对比分析不同表面处理的铝合金板自冲铆接及自冲铆接与粘接结合的铆接件疲劳特性，发现铆接与粘接结合会显著提高构件的静强度和疲劳性能。然而，一般金属铆钉材料强度低于连接部件的材料强度，且铆钉容易出现应力集中，会降低整体结构的强度与疲劳寿命。因此，预测铆接结构的疲劳寿命并优化铆钉连接对提高结构的安全性有着重要意义。本文首先通过试验手段测试铆钉寿命，再利用SEM 扫描电镜扫描微观断口，分析铆钉断裂原因，最后通过有限元方法预测疲劳寿命，并对其进行尺寸优化，优化后的铆钉连接有效提高了其强度和使用寿命。

1 实验方法

某农机离合器的内外壳体之间无法焊接，故采用铆接方式连接，铆钉数量为16 颗。此离合器是外购件，未做设计验证，直接做台架耐久试验，直径φ4 的铆钉在70 万次左右全部发生断裂，未达到100 万次的要求。铆钉的位置分布如图1 所示。

图1 铆钉位置Fig.1 Rivet location

对离合器进行台架耐久试验，本次验证使用离合器全尺寸模型，采用压力疲劳试验设备对其进行验证。试验设备为自制压力疲劳试验台，可提供0～30 bar 油压，电机可输入0～3 000 N·m 扭矩，转速可稳定在6 000 r/min，加载频率为180 Hz，室温18 ℃，油温110 ℃。试验结果如表1 所示。

表1 原始方案的试验结果（φ4）Tab.1 Test results of original scheme (φ4)

2 铆钉疲劳失效断口分析

为保证在全面分析结果的前提下减少工作量，在16 颗全部断裂铆钉中沿圆周均等任取3 个铆钉作为研究对象，进行宏观断口分析，如图2 所示，铆钉断口宏观结果如图3 所示。从宏观样貌来看，疲劳源在表面萌生，裂纹扩展区可见海滩状的花纹，铆钉内部无缺陷和夹杂。在轴向力及扭矩的条件下，铆钉产生塑性应变集中，并形成滑移带，从而萌生疲劳裂纹。在循环载荷作用下，塑性应变在铆钉表面留下滑移线，在一定循环次数之后，出现硬化和软化，使应变在几个平行平面上进行，在循环载荷下形变的不均匀性使塑性应变总是出现在一定区域内，这些不均匀的塑性应变就形成了铆钉表面的滑移带。这些滑移带对铆钉形成挤压、左右循环作用，从而形成了驻留滑移带，最后产生微裂纹。

图2 铆钉断裂情况及宏观观察选取位置Fig.2 Rivet fracture and macroscopic observation selection position

图3 铆钉的宏观断口结果Fig.3 Macroscopic fracture results of rivets

铆钉的微观断口分析，用SEM 扫描电镜观察疲劳断口，微观结果如图4 所示。从微观样貌可知，裂纹扩展区和撕裂韧窝形貌特征均可见，部分区域可见较大尺寸的空腔，主要是由于该断裂处有碳化物等硬脆相，在瞬间断裂时与基体不协调，碳化物发生脱离。一般金属均为多晶体，在多晶体中存在着各向异性和非均质性，而疲劳破坏总是从应力应变最高和位向最不利的薄弱晶粒处开始，并沿着一定的结晶面扩展开来。

图4 铆钉的微观断口结果Fig.4 Micro-fracture results of rivets

由上述分析可得，铆钉断口处的材料并无粗大第二相，也无内部裂纹或其他缺陷，故铆钉断裂主要是疲劳原因。随着离合器循环次数增加，铆钉的外表面开始形成小裂纹，导致了疲劳损坏。对铆钉进行优化设计，并使用有限元方法进行试验匹配。

2.1 名义应力法

名义应力法是进行零部件有限寿命设计的常用方法，主要从材料的S-N 曲线出发，再考虑其它影响系数，得到零部件的S-N 曲线，根据零部件S-N 曲线进行抗疲劳设计，该方法计算的是零件的总寿命。循环次数与循环应力的关系为

式中：C、m——材料常数；N——零件的循环次数；σ——零件的循环应力，MPa。

式（1）两边取对数得：

2.2 局部应力应变法

此方法以应变集中处的局部应力应变为基本参数进行疲劳预测。零件的破坏都是从应变集中位置开始的，而且在产生裂纹之前会有局部塑性应变。所以有应变集中的零部件，可以采用循环应力应变曲线和ε-N 曲线进行模拟计算。本方法主要应用于低周疲劳寿命预测，计算可以得到零件的裂纹寿命，再加上断裂力学计算的断裂寿命，即可得到总寿命。对于高周疲劳，此方法不能考虑到表面加工和尺寸因素等，计算结果存在很大误差。

2.3 相对Miner 法则

此方法假设材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立的，总损伤可以线性叠加。相对Miner法则，即对于同类零件，在类似的载荷谱下，具有类似的疲劳损伤数值。因此，使用同类零件，用类似载荷谱下的试验值进行寿命估算，可以大大提高寿命估算精度。这种方法称为相对Miner法则，其表达式为

式中：L——变幅载荷的应力水平级数；ni——第i级载荷的循环次数；Ni——第i 级载荷下的寿命；Df——同类零件在同类载荷谱下的损伤和试验值。当损伤D=1 时，零部件发生疲劳破坏。

3 铆钉疲劳寿命预测

3.1 有限元建模

铆接过程是复杂的瞬时动力学问题，一般采用显示动态分析方法。本文采用ANSYS/LS-DYNA软件进行有限元动态分析。原始设计方案：铆钉直径D1=4 mm，2 个离合器壳体厚度P=5 mm，铆钉长度为L1=10.22 mm。

在有限元分析过程中，铆接模具均设置为刚体，离合器壳体及铆钉均考虑材料的非线性，观察铆接过程中离合器壳体与铆钉的力学表现。由铆钉材料拉伸试验获得材料应力应变曲线如图5 所示，同时模型考虑了部件的几何非线性以及接触非线性等。

图5 铆钉的拉伸应力应变图Fig.5 Tensile stress-strain diagram of a rivet

在载荷作用下结构产生大的位移或转动均属几何非线性问题。ANSYS 软件可设置非线性接触，本次分析设置为面面接触，同时设置为扩增的拉格朗日算法的接触单元。网格扭曲严重时可先设置较多的载荷步，同时使用FTOLN 常数（默认值为0.1），FTOLN 为拉格朗日算法允许的最大渗透量，当接触渗透量大于设置值或默认值时，求解不收敛。铆接冲头与铆钉之间作摩擦接触，铆钉孔与铆钉之间、离合器壳体表面与铆钉之间摩擦系数0.2，2 个离合器壳体之间作摩擦接触，摩擦系数0.15。

3.2 仿真分析结果

在铆接冲头的作用下，铆钉发生大的变形，实现铆接联接。仿真时添加一个强制位移5.22 mm，模型及应变如图6、图7 所示。

图6 铆接前后模型Fig.6 Model before and after riveting

图7 铆钉变形图Fig.7 Deformation diagram of rivet

对铆钉铆接后的结构进行刨切，得到铆钉实际变形情况如图8 所示。经对比，仿真结果与实际变形基本吻合。离合器工作时均为同一方向承受扭矩与压力，为0～1 的非对称循环载荷。本次疲劳寿命分析使用Goodman 修正方法得到铆钉在本载荷下的S-N 曲线如图9 所示。Goodman 修正公式为

图8 铆钉切面图Fig.8 Cutaway of a rivet

图9 铆钉的S-N 曲线图Fig.9 S-N curve diagram of rivet

分析得到铆钉的最大与最小应力分布于2 个离合器壳体之间的位置，最大应力为724 MPa，最小应力为-506 MPa，最终得到原始铆接结构的疲劳寿命为65 万次，与台架试验相差5 万次，误差较小。铆钉的应力如图10 所示。

图10 铆钉的最大最小应力图Fig.10 Maximum and minimum stress diagram of rivet

优化设计后，铆钉直径D2=5 mm，铆钉长度L2=12.88 mm。铆钉的疲劳寿命分析结果为200 万次左右，满足设计要求。同时进行台架耐久验证，结果如表2 所示。结果表明，新方案的CAE 结果与台架试验结果匹配良好，均满足设计要求。

表2 优化方案的试验结果（φ5）Tab.2 Test results of the optimized scheme (φ5)

4 结论

通过台架试验及微观结果验证，铆钉断裂主要是疲劳断裂，铆钉的CAE 疲劳结果与耐久试验结果吻合较好，从而得到以下结论：

（1）使用有限元法预测铆接结构的疲劳寿命是可行的；（2）在仿真分析时，同时考虑铆钉铆接后的力学性能与受载时的力学性能，疲劳分析结果更精确；（3）铆钉的疲劳断裂位置在2 个离合器接触位置，铆钉杆中间部位；（4）将CAE 分析与台架试验相结合可缩短研发时间；（5）高周疲劳问题一般采用名义应力法计算寿命。