摘要
为解决玻璃钢（GFRP）与铝合金叠层压铆过程中对GFRP层的损伤问题，对典型GFRP/铝合金叠层开展了2A10材料Φ4 mm铆钉在不同大小预制孔和压铆力下GFRP材料损伤情况的有限元分析，得到了实现低损伤压铆的预制孔大小及压铆力范围；根据仿真结果开展了叠层压铆试验研究并对试片进行了无损检测、剪切强度分析。结果表明：GFRP/铝合金叠层在压铆过程中选用(18.5±0.2) kN压铆力、Φ4.2 mm预制孔可实现GFRP与铝合金叠层的低损伤压铆。
关键词
玻璃纤维增强塑料常称之为玻璃钢(GFRP),具有强度高、性能稳定、耐蚀性好等诸多优点，在航空、航天、航海、汽车等行业的产品中得到了广泛应
吕九九
GFRP/铝合金叠层：GFRP板为乙烯基酯树脂玻璃纤维增强塑料，由0°和90°铺层胶合而成，厚度2.8 mm；铝板为2A12-T4材料，厚度3 mm；铆钉材料2A10-T4、Φ4 mm、长度11 mm，铆钉半圆头在GFRP一侧，镦头在铝板一侧,如
图1 实验对象示意图
Fig.1 Structure of experiment subjects
考虑到压铆头相对于铆钉及被铆接件相比变形量很小，可以认为是理想刚体，铆钉和被连接件均设置为柔性体。ABAQUS中铆钉采用3D旋转来创建，铝板采用3D拉伸来创建，GFRP板采用孤立网格的方式建立。建立的模型如
图2 铆接有限元模型
Fig.2 Dynamic model of riveting
采用C3D8R单元类型进行网格划分，其中铆钉划分176 770个单元、GFRP板划分217 728个单元、2A12板划分126 720个单元、压铆头划分1 600个单元。仿真时间为250 ms，取时间步长12.5 ms，获取每个时间节点的位移、应变、应力云图，叠层典型节点位移-时间云图如
t=12.5 ms
t=112.5 ms
t=187.5 ms
t=250 ms
图3 节点位移-时间云图
Fig.3 Displacement time nephogram of riveting
t=12.5 ms
t=112.5 ms
t=187.5 ms
t=250 ms
图4 GFRP应变-时间云图
Fig.4 Displacement time nephogram of GFRP composite
叠层预制孔分别设定为Φ4.1 mm、Φ4.2 mm，按照形成Φ（6±0.2） mm、高度（2±0.2） mm铆钉镦头大小为判定依据，通过压铆过程的仿真得出Φ4 mm 2A10铆钉成型所需的压铆力范围分别为18～20 kN、17.9～19.5 kN。
对预制孔分别为Φ4.1、Φ4.2 mm的叠层进行应变仿真分析，根据应变仿真得出不同压铆力对应的GFRP最终损伤结果如
(a-1) 损伤720个单元
(b-1) 损伤236个单元
(a-2) 损伤884个单元
(b-2) 损伤676个单元
(a-3) 损伤1 480个单元
(b-3)损伤880个单元
(a-4) 损伤3 200个单元
(b-4) 损伤1 528个单元
(a) Φ4.1 mm
(a-5) 损伤4 080个单元
(b) Φ4.2 mm
(b-5) 损伤2 300个单元
图5 不同预制孔、压铆力下GFRP材料损伤情况
Fig.5 Damage of GFRP under different pre-drilled hole and riveting force
按照有限元仿真的结论，针对2.8 mm GFRP与3 mm铝合金叠层，选用2A10材料Φ4 mm×11 mm铆钉进行压铆实验，压铆试片如
图6 GFRP/铝合金压铆试片
Fig.6 Riveting specimens of GFRP/Al
为判断铆接后铆钉周围GFRP板内部缺陷情况，使用X射线三维显微成像检测设备对试片进行检测。设备对试片扫描后生成试片三维模型，通过软件对各截面进行观察，典型截面如
图7 典型截面示意
Fig.7 Typical section diagram of scanning stereogram
(a) 17.9 kN
(b) 18.3 kN
(c) 18.7 kN
(d) 19.1 kN
(e) 19.5 kN
图8 不同压铆力下中心截面无损检测图
Fig.8 Section diagram of riveting specimens
由不同压铆力试片检测结果得出：压铆力小时GFRP基本没有损伤，当压铆力逐步增大时出现了疑似纤维断裂损伤，压铆力越大疑似损伤越明显；压铆力小时，钉杆与钉孔之间存在微小间隙，当压铆力逐步增大时间隙逐渐减小并消失。经对比分析，压铆力18.3、18.7 kN的试片在钉杆与GFRP处无明显间隙，纤维损伤情况亦不明显。
剪切检测在CSS-44100电子万能试验机上进行。不同压铆力下平均剪切力变化趋势如
图9 不同压铆力下剪切力大小对比
Fig.9 Comparison of shear forces of riveting specimens under diffident riveting forces
由
不同压铆力压铆试片的剪切力-位移曲线如
(a) 17.9 kN
(b) 18.3 kN
(c) 18.7 kN
(d) 19.1 kN
(e) 19.5 kN
图10 不同压铆力下铆接试片的剪切力-位移曲线
Fig.10 Shear displacement curves of riveting specimens under diffident riveting forces
由
按有限元仿真及压铆试验确定的压铆力和预制孔大小，利用自动钻铆装备进行工程应用验证，压铆产品的局部如
图11 GFRP/铝合金叠层压铆工程应用产品
Fig.11 Riveting space products of GFRP/Al
对压铆和手工铆的铆钉各随机测量了200颗铆钉的镦头尺寸，两种铆接方式下镦头精度对比如
图12 压铆与手工铆接铆钉镦头精度对比
Fig.12 Comparison of rivet head accuracy between press riveting and hand riveting rivets
对典型GFRP/铝合金叠层压铆工艺开展了有限元仿真及试验研究，获取了GFRP/铝合金叠层低损伤的压铆工艺参数。对常用的2A10材料Φ4 mm铆钉铆接GFRP/铝合金叠层结构时，推荐预制孔直径大小为Φ4.2 mm（工程应用中可直接采用Φ4.2 mm钻头钻制）、压铆力范围为（18.5±0.2） kN，在该工艺参数范围内不仅能够获得合格的铆钉镦头、较为理想的剪切强度，而且能够保证GFRP材料的挤压损伤较低，实现GFRP与铝合金叠层的低损伤压铆。
参考文献
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