纤维增强树脂基复合材料径向铆接机理研究

With the growth of fiber-reinforced resin matrix composites in cars, planes, trains and other transport, the connection between the composite parts and their connection with the adjacent metal parts are increasingly prominent. As the composite is a brittle material, the stress concentration around hole of the composite is more serious than that of the metal. Compared with other riveting, axial and radial loads on the workpiece by the radial riveting are less. Radial riveting is a good connection method for composites. It has good riveting quality, low energy consumption, high efficiency. The numerical simulations and experimental studies on radial riveting composites process and riveting strength analysis will be done. This project will study the influence of various parameters, such as: the rivet material properties, rivet height and diameter, shape and size of rivet head die, material properties and sheet thickness, tilt angle and spin rate of rivet head die, feed velocity, riveting force, fit relationship between rivet shank and sheet hole etc, on the riveting profile shape and riveting strength. The stress and strain distribution under tensile load and the damage failure mode of riveted joints will be studied by numerical simulation and digital image correlation (DIC). The various parameters of radical riveting will be optimized, and the best combination of parameters with the highest connection strength will be obtained. The results will provide a theoretical basis for the application of radial riveting composites.

随着纤维增强树脂基复合材料在汽车、飞机和火车等交通工具中应用持续增长，复合材料部件之间连接及其与临近金属零部件连接问题日益突出。复合材料属脆性材料，孔边应力集中程度较金属严重。径向铆接时工件上受的轴向和径向载荷较其它铆接方式小，能很好解决复合材料的连接，且有铆接质量好，能耗低，效率高等优点。本项目通过对复合材料径向铆接过程和铆接件强度分析的数值模拟和实验研究，得到铆钉材料性能、铆钉高度、直径、铆头模具形状与尺寸、连接材料性能、板厚、铆头倾斜角度、旋转速度及进给速度、铆接力、铆钉杆部与孔配合关系对铆接剖面形状及铆接强度的影响规律；用数值模拟及数字图像相关方法（DIC）研究铆接件应力、应变在拉伸载荷下的变化行为，及其铆接接头损伤失效模式。对各种参数进行优化，得到连接强度最高时各参数的最佳组合规律，为复合材料径向铆接的应用提供理论根据。

本项目把径向铆接方法应用于纤维增强树脂基复合材料连接。采用真空辅助树脂传递模塑成型工艺制作玻璃纤维增强层合板，搭建了复合材料制备的装置，并且可根据不同的参数制作相关复合材料。.选择不同铆钉材料、铆钉高度、孔径、连接材料、有无垫圈等参数，对复合材料径向铆接进行理论研究。铆钉高度在较小时，随着高度的增加复合材料径向铆接连接静强度也增加，但到一定程度时静强度不再有显著影响。加垫圈的强度要稍高于不加垫圈的，而加大号垫圈的比加小垫圈的要稍高一些。.用数码显微镜对径向铆接接头进行剖面分析，得到连接件铆接剖面形状图，分析不同参数与剖面的关系。对铆接件进行强度分析实验时，采用数字图像相关（DIC）方法研究连接区域应力、应变的变化行为及分析其对连接接头损伤失效之间的关系。.直压铆接与径向铆接铆钉成形的形状相差不大，但是径向铆接的铆钉对板料损伤小。在同等条件下，径向铆接连接件的强度要高于直压铆接。双层3mm的树脂基玻璃纤维板的径向铆接试件采用板料孔径6.0mm、铆钉墩头剩余高度3mm、铆钉高度16mm、铆接中加大号平垫圈等条件进行摆辗铆接时，比相同条件下的直压铆接试件、螺栓连接试件性能更优。.探讨铆接剖面形状、铆钉杆部与孔的配合与铆接强度和失效机理之间的规律。在相同条件下比较复合材料径向铆接与螺栓连接的强度。总结径向铆接与螺栓连接等之间优缺点、为合理选择何种连接方法提供理论依据。胶接和径向铆接的峰值载荷相差不大，径向-胶接混合连接的峰值载荷大幅度提升，相对于胶接和径向铆接，混合连接可以发挥两者的优点连接效果优越。与拉伸方向一致的双铆钉使用不仅不能提升板料拉伸性能，反而有一定程度的下降。