在实际建立面向飞机薄壁件铆接过程的有限元仿真简化模型时，可从计算效率以及计算精度两个方面着手，同时要充分考虑到铆接工艺以及有限元模型，在此基础上提出的有限元接力计算原理是批量铆接过程模拟方法的核心内容，在飞机薄壁件铆接过程当中，该种方法可充分发挥自身的作用与价值预测变形。指导装配变形的主动抑制以及补偿工作，真正意义上提升飞机薄壁件装配的质量与水平。
一、有限元建模的客观分析
首先，由于飞机壁板尺寸一般都很大，如空客A320机翼长达15m，空客A380机翼长达19m，铆钉数量成千上万，受当前计算机硬件条件及试验成本的限制，国内外针对批量铆接过程有限元模拟计算问题的研究非常少。随着对飞机装配质量要求的提高，必须要解决的一个难题就是铆接变形的预测与控制。
其次，定位、钻孔、送钉以及铣平等是现阶段飞机薄壁件铆接过程涉及到的主要工艺流程，需要注意的是，夹紧、锪窝、涂胶以及铆接等工作也在其涵盖范围之内，工艺繁杂以及参数众多是铆接工艺的明显特征。本次实验所选取的铆接件变形影响工艺参数相对较大，还会涉及到压铆以及卸载两个过程，压铆力、镦铆时间等也在其涵盖范围之内，通过合理方式简化飞机薄壁件铆接工艺。在实际计算数值模拟时间时，涉及到过大的成本，因此需要借助有限元计算效率的基础作用，开展薄壁件实体特征综合考虑工作。
最后，由铆接原理可知，铆接过程中铆钉与铆钉孔之间、铆模与铆钉之间均存在复杂的非线性接触关系，在满足计算精度的前提下提高计算效率，需要对模型进行合理地网格划分，保证网格节点对称，使节点场量的传递最大程度地接近真实情况。
二、批量铆接过程的如何开展接力计算
批量铆接过程数值模拟按铆钉个数分为多个计算步，即一个铆钉的铆接过程计算作为一个计算步。在每个计算步中，均涉及铆接载荷施加、接触设置、边界条件修改等，此时，为进一步提高计算效率，以MATLAB为二次开发平台，利用大型有限元软件包ABAQUS为核心求解器，建立批量铆接过程模拟的接力计算流程.接力原理主要涉及以下关键技术。
1铆钉的装配原理
在接力计算过程中，为满足工艺及计算精度等要求，在每个计算步分析前利用ABAQUS后处理数据文件*rpt获取前一计算步完成后的铆接件变形状态，对当前铆钉铆接模拟的模型文件*inp进行修改，从而完成对铆钉的精确装配。机身或机翼壁板的铆接变形是由其壁薄、弱刚性等特点以及复杂的装配工艺引起的，形成的变形误差以及大量工艺协调问题普遍存在并始终贯穿于整机研制全过程，如ARJ21机翼壁板铆接后整体变形大，翼盒装配时必须采用专用压紧器进行强迫装配。
2.场量数据在计算步间模型中的映射
在实际开展计算步分析前，在三维实体模型中映射前一计算布的场量数据是保障分析连续性的前提条件，场量数据主要涉及到应力、应变以及位移等内容。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从后一计算步来说，前一计算步完成后处于一种初始状态，进而顺利完成计算不接模型产量数据的映射工作。
3.边界条件、动态载荷等的施加
每个计算步分析前需要对边界条件和动态载荷进行修改，在接力计算中保持铆接件的边界条件不变，铆钉边界条件和铆接载荷随模拟计算过程的进行而动态地施加到相应的参考点上。
三、结果分析与试验验证
首先，以10个钉铆接为例，铆接件的尺寸为180mm×75mm×2mm，铆接件数量为2，铆钉的尺寸为5mm×10mm。利用批量铆接过程接力计算模拟方法进行有限元计算，得到铆接件应力和位移云图。本文所述的U1、U2、U3分别为X轴、Y轴、Z轴的位移自由度。铆接件的应力主要分布在孔周处，因此定义最大应力区域，并在每个铆钉孔周的最大应力区内选取一个节点作为研究铆接件应力分布的关键节点。共选取10个节点，节点位置用红色编号所示，并记录各铆钉铆接完成后关键节点处的应力变化。
其次，每个节点处的应力只受离其最近的铆钉孔铆接过程的影响，而受到其他铆钉孔铆接过程的影响很小，甚至可以忽略不计。根据分析结果可以计算10个钉铆接完成后的铆接件平均应力约为400MPa。为观察铆接完成后铆接件的变形情况，在铆接件边缘等距选取10个节点，节点位置用蓝色编号所示，并记录节点在不同铆钉铆接完成后U2方向上的位移。前5个铆钉铆接过程中所有节点的位移有微小的增长，这是由于单排铆钉铆接造成的微小误差在铆接顺序的方向上累积；从第6个铆钉铆接开始节点位移发生了很大的变化，并形成了不同的位移增长趋势，这是由于多排铆钉铆接过程中铆接件受力不平衡，从而使铆接件整体发生了偏摆。
最后，铆接过程会造成铆接件在U3方向上的局部变形，当铆接件U3方向上的位移值为负值时定义为铆接件的凹陷，为正值时定义为铆接件的翘曲。在当前铆钉铆接完成后，铆钉周围出现凹陷，在远离当前铆钉处的铆接件会出现翘曲。通过铆接件试验测量位移云图与有限元仿真铆接位移云图进行对比，试验所得铆接件最大位移值约为0.470mm，模拟计算所得铆接件的最大位移值约为0.4656mm；试验所得铆接件最小位移值约为-0.101mm，模拟计算所得铆接件的最小位移值约为-0.1004mm。两者在数值和趋势上都基本一致，从而证明了所建立的批量铆接过程模拟方法的正确性。
结语：本文主要通过充分考虑工艺以及模型两个方面的基础上，开展飞机薄壁件批量铆接有限元仿真简化模型的构建工作，在此种背景下批量铆接接力计算原理得以顺利提出，这是模拟批量铆接过程接力计算的重要途径。铆接件的应力以及位移状况，可通过有限元模拟结果得到直观反应，最终科学完成铆接件应力分布的预测工作，最大限度抑制局部变形缺陷以及整体扭曲的问题。该实验可进一步验证批量铆接过程实验方法的可行性。
参考文献：
[1]常正平,王仲奇,李诚.飞机薄壁件铆接过程变形分析与数值模拟[J].航空制造技术,2016,59(7):82-86.
[2]张雪.飞机柔性件铆接装配中的接触力建模与偏差分析[D].南京航空航天大学,2014.
论文作者:吴泽,郭凤莲,孙有,魏铜
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/5
标签：铆钉论文; 位移论文; 过程论文; 应力论文; 节点论文; 薄壁论文; 批量论文; 《中国西部科技》2019年第5期论文;