在汽车与航空领域，紧固件的连接装配仍以机械连接为主。在机械连接中，螺栓连接由于其可靠性高，可重复拆装等优点而广泛应用于航空航天、汽车和能源等领域。但螺栓连接工艺比较复杂，重量较大，对被连接件的两端空间也有较大的要求。空心铆钉作为一种新型的铆接紧固件，改善了装配连接中的轻量化问题，而且能做到单面连接，更加适应结构紧凑性设计，但是连接强度较低。近年来，针对以上问题，学者们提出了一种新型的铆螺母紧固件[1]。
其基本原理是运用单向推力挤压套环使之产生塑性变形，进而与螺杆环槽形成啮合产生永久紧固力，实现铆接要求。铆接的流程图如图 1 所示，图 1a 中将配合好的螺栓铆螺母安装入预制的紧固孔中，随后使用铆接设备向上抽拉螺栓，铆螺母受到轴向向上的拉力，使得预设的变形区发生塑性变形如图 1b。当变形达到预设目标后停止抽钉，并将螺栓旋转取下，即完成了铆螺母的铆接过程，如图 1c 所示。
国内外对空心铆钉与铆螺母连接工艺进行了相关研究[2−5]。李诚[6] 等针对铆螺母的使用性能进行实验研究，证明了铆螺母在汽车和航空航天工业中进行连接的可行性。钱一彬[7] 针对铆螺母的安装工艺进行研究，提出了可优化疲劳性能的铆螺母键槽形式。Studziński R [8−10] 等探究了不同衬套形式的空心铆钉连接的拉拔强度试验，发现衬套形式对连接结构拉拔强度影响较小。Veled D[11] 等同时建立二维有限元模型分析了铆螺母结构形状对变形锁紧的影响，最后对铆螺母结构进行了优化改进。针对锁紧力矩的变化过程，学者也展开了一定的研究，王立东等人[12] 研究了变形量对螺栓、螺母使用寿命的影响。同时，研究表明[13−14]，铆螺母锁紧力矩的衰减受到多种因素影响，其中收口量是主要影响因素，适当增加收口量将提高铆螺母的最大锁紧力矩，并且在发生衰减后仍然保持一定的锁紧能力。
铆螺母安装后的机械性能不仅取决于铆螺母本身的结构参数，其中收口形式将直接影响到结构的锁紧力矩，并最终影响连接强度。本文运用数值仿真技术模拟与实验研究相结合的方法分析铆螺母变形区厚度与收口形式对铆螺母连接结构的力学性能影响，并且进一步探究了铆螺母铆接结构的失效机理和锁紧力矩衰减的变化规律。
1 有限元模型建立
铆螺母主要由 3 个部分组成，其中包括椭圆锥型的螺母头部、厚度较薄的变形区以及螺母底部的螺纹区域。本文中铆螺母的几何尺寸如图 2 所示。由于铆螺母头部形状复杂，使用 SolidWorks 对铆螺母与夹层材料进行三维几何建模，再导入 ABAQUS中。本文主要针对变形区的厚度进行优化，即图 2中画圈位置（标注为 HD）。
铆螺母安装工艺三维仿真模型建立过程中，需对整体安装过程进行分步设置。分析步设置一共分为五个 STEP，首先在 Initial 中将模型导入并施加初始边界条件，Step-1 为铆螺母变形锁紧步骤，给铆螺母的螺纹段施加 Y 向的正向位移载荷，使其达到铆接效果。Step-2 为收口过程仿真，维持固定边界条件，并取消螺纹段的位移载荷。分别给 3 个收压块建立局部坐标系，以局部参考系为准施加收压块的位移载荷。Step-3 为螺栓的接触步，螺纹配合仿真是一个极其复杂的过程，为保证配合紧密并且能顺利对接，设置 Step-3 为接触步，将一个固定载荷施加在螺栓头部，完成与铆螺母螺纹对接准备。Step-4 完成收压块的卸载，收压块复位，并且螺栓接触良好。最后在螺栓顶部施加绕 Y 向旋转的载荷，进行螺栓向铆接结构拧紧的过程，并最终输出螺栓拧紧力矩。通过收口工艺三维仿真模型，可以实现对不同收压工艺下螺栓拧紧力矩的仿真，仿真模型如图 3 所示。随后固定螺栓的 XY 方向自由度，施加 Z 向载荷完成拉拔破坏过程仿真。
按照上述流程设置边界条件模拟实际工况下的安装工艺，对被连接件的四周施加全约束。将 3 个收压块呈现 120°对称放置于距离铆螺母壁 0.5 mm处，避免铆螺母变形时发生接触碰撞。为了研究不同收压块形状对连接质量的影响，分别设计了 4 种不同形状的收压块进行收压，分别为 2 mm×2 mm，2 mm×3 mm，3 mm×3 mm 截面的矩形和压头为球形的收压块，不同收压块示意图如图 4 所示。由于铆螺母沉头部分的不规则性，本文采用十节点的修正二次四面体进行网格划分。较小的网格尺寸能够提高模型的准确性，但也会增加计算成本。综合考虑模型的准确性和计算效率,确定螺母的全局网格尺寸为 0.6，厚度方向设置 4 个积分点，将变形区位置的网格尺寸细化到 0.2。夹层的网格尺寸设置为 1，并对孔周进行网格细化。为保证接触时紧固孔壁为主面，将孔周网格尺寸细化到 0.7，并且在厚度方向设置 5 个积分点保证应力应变的连续性。考虑到铆螺母与夹层材料之间的相互作用关系，因此在两个构件之间需要进行接触设置，法向接触设置为“硬接触”，切向接触设置为“罚函数”，并且所有的摩擦界面均由 0.1 的恒定库仑摩擦系数建模。其中螺纹接触部分采用主从面接触设置，将螺栓设置为主面，铆螺母螺纹设置为从面，恒定库仑摩擦系数为 0.1。
铆螺母材料为 0Cr18Ni9 奥氏体不锈钢，由于提出的模型包含了铆螺母的铆接变形与失效过程，因此模型中需要定义 304 不锈钢的塑性行为和材料的损伤行为，相关材料参数由供货商提供。夹层材料选取 6061 铝合金，材料的塑性行为与损伤行为均使用 J-C 本构模型进行定义，其表达式如下。
式中：Tm 为熔化温度；T0 为参考温度；A 为在参考应变率和参考温度下的初始屈服应力；B 和 n 为材料应变硬化模量和硬化指数；C 为材料应变率强化参数；m 为材料热软化指数，通过霍普金森压杆实验测得，并通过对照文献 [15] 中 6061 铝合金本构模型的数值验证。铆螺母材料与 6061 铝合金的参数设置分别如表 1 和表 2 所示。
2 实验设计
2.1 铆螺母铆接实验
铆螺母由航天精工公司提供，型号均为 SCE106-050-030。选取 5 种不同的变形区厚度：0.49 mm、0.44 mm、0.39 mm、0.34 mm、0.29 mm 将不同变形区厚度的铆螺母进行编号，编号结果如表 3 所示。使用四轴加工中心将厚度为 3 mm 的 6061 铝板加工成 40 mm×40 mm 的试件，并在板中心与四周加工出紧固孔，用于实验装置的铆接与固定。使用铆接设备将铆螺母与夹层连接，连接完成后置于收口模块装置进行收口处理。将铆螺母变形锁紧后的连接件使用金刚石砂线切割机沿样件的中心线剖开，使用超景深显微镜观察截面形貌。
2.2 铆接结构拉拔实验
为探究铆螺母变形后的拉拔力，将不同变形区厚度的铆螺母连接件固定在特殊设计的夹具上进行铆螺母的拉拔实验。实验在电子万能试验机上进行。最后记录不同厚度的拉拔力，实验装置设置如图 5所示。试验结束后将破坏后的铆螺母取下，观察分析连接结构的失效形式。
2.3 铆螺母锁紧力矩测试
铆螺母收口工艺是在铆螺母铆接完成后，通过对铆螺母下端进行挤压变形从而达到增大铆螺母锁紧力矩的目的，以此提高铆接整体连接结构的可靠性。收口工艺一般使用收口模具进行，图 6 为常用的收口模具实物图。铆螺母型号依然使用 SCE106-050-030，该螺母收口过程使用 2 mm×3 mm 矩形接触面收压模具，收压量为 300 μm，使用 M5 螺栓与之匹配。
锁紧力矩的测试设备为扭力试验机，试验件安装如图 7 所示，实验项目为 15 次拧入拧出循环试验，技术要求和实验方法分别按 HB7686-2001 和HB7687-2001 进行。记录 15 次拧入拧出的锁紧力矩和松脱力矩数据。
3 结果与讨论
3.1 铆接过程分析
通过有限元仿真得到不同变形区厚度下铆螺母铆接变形仿真与实验结果进行对比。不同的变形区厚度对应的仿真与实验结果如图 8a~e 所示。由图 8a 可知，当变形区厚度为 0.49 mm 时 (HD1)，铆螺母铆接变形后螺纹区域发生严重的变形，铆螺母的结构发生了一定的破坏。这可能导致后续安装过程中螺栓不能顺利旋入。由图 8b~e 可知，对于HD2、HD3、HD4、HD5 的铆螺母铆接的变形后能够形成贴合紧密的鼓包折叠区域。当变形区厚度太大时，螺纹段螺母壁与变形区之间厚度相差较小，铆接时起始变形位置靠近螺纹段，鼓包折叠区域两端的曲率半径过大最终导致铆螺母未能紧密贴合工件材料。图 8f 为不同厚度铆接变形区铆接后形成鼓包区域面积。由结果可知，铆螺母变形区厚度HD 是影响最终铆接鼓包大小及贴合程度的重要因素。鼓包锁紧面积随着变形区厚度减小而减小。其原因可能是变形区厚度会影响鼓包折叠区下部圆角的曲率，厚度越薄则曲率越小，这将导致变形过度集中于变形区而使得鼓包区域变小。
图 9 为最大夹紧压应力随变形区厚度的变化趋势。由于 HD1 情况下铆螺母螺纹段变形严重，在此处不做分析。由结果可知，对于铆接后贴合紧密的铆螺母，最大压应力随着变形区的厚度减小而呈现先下降后升高的趋势。锁紧后，夹紧压应力主要由两个方面提供：（1）铆螺母变形区材料塑性变形对被连接材料的挤压作用。（2）被连接材料与铆螺母非变形区发生接触，螺纹段的挤压载荷通过折叠区传递到夹层上。对于较厚的变形区，夹紧压应力主要由方式（1）提供。随着变形区厚度减薄，材料塑性变形提供的夹紧力越来越小。当变形区厚度太薄时，鼓包变形只发生在预设的变形区，这导致折叠区下部分的曲率半径过小，加载时螺纹区与上部分折叠区发生接触，形成较大的夹紧压应力。由以上分析表明，型号为 HD2 的铆螺母不仅能够紧密贴合夹层材料，并且安装后对夹层材料的压应力与锁紧面积明显优于其他型号。因此本文选择变形区厚度为 0.44 mm 的铆螺母进行后续研究。
3.2 铆螺母拉脱失效
在铆螺母顺利完成变形锁紧后，其拉拔力是评价连接性能的一个重要指标，能够一定程度上反映出铆螺母变形锁紧的紧固程度。设计并研究了 5 种不同变形区厚度参数下铆接结构的拉脱过程，其仿真与实验结果如图 10 所示。图 10a 为仿真与实验的拉拔力-位移曲线，实验结果标记为 Exp 并用实线绘图，仿真结果标记为 Sim 并用虚线绘图。实验结果的曲线相对于仿真结果来说具有一定的滞后性，这是因为在进行实验时，试验机、夹具体和夹持螺栓之间存在一定的间隙，拉拔过程还需将这些间隙压紧，所以位移载荷较大。图 10b 对比了仿真与实验结果的拉拔力。仿真结果曲线形式与变化趋势与实验结果相比有较好的一致性，能够准确预测铆接结构的拉拔力。除了最大拉拔力，铆螺母安装过程中的初始拉拔力（如图 10c 中初始刚度 kini 下对应的最大拉拔力）也是评价连接结构安装质量的一个重要标准[8]。如图 10c 所示为不同变形区厚度的铆螺母连接后的初始刚度，为了能够清晰地标明连接结构的初始刚度范围，将实验结果的局部进行放大并标出初始刚度和初始拉拔力。图 10d 为初始刚度对应的初始拉拔力。从对应结果可知，变形区厚度为 0.44 mm 的试件 (HD2) 具有最大的初始拉拔力。
从图 10 可知创业项目，最大拉拔力随着变形区的厚度减小呈现逐渐减小的趋势，这可能是由于变形区厚度越薄铆螺母折叠部分越容易发生变形。此外折叠区域的面积减小也是最大拉拔力下降的一个重要原因。鼓包区域的面积越大，铆螺母与夹层的结合越紧密力矩是什么意思，接触面积较大时受拉后整体结构的应力分布更加均匀，因此能够提升最大拉拔力。但是对于HD1，螺纹段的变形使得铆螺母接结构发生了一定的破坏，铆螺母容易产生应力集中导致结构在受拉时过早发生失效。综上所述，当变形区厚度为 0.44 mm时铆螺母的最大拉拔力和初始拉拔力均为最大、铆螺母变形合理，具有最优的连接质量。图 11 为拉拔过程的仿真和实验结果。从图中可以看出，整个连接结构的破坏分为两个方面：（1）安装夹层的变形、失效。（2）铆螺母鼓包锁紧处的变形。对比仿真与实验结果可知，变形区厚度对安装夹层的变形程度影响不大，但拉脱后铆螺母的变形程度随变形区厚度的变化趋势比较明显。变形区厚度越薄，铆螺母的鼓包锁紧区域变形越严重。
3.3 收口工艺对锁紧力矩的影响规律
图 12 为矩形模块收口后仿真结果与实验结果的对比图。从图中可以看出，仿真结果与实验结果具有较好的一致性。图 13 为在不同形状的收压块下对应的收口段变形仿真结果应力云图和螺栓旋入仿真结果。分析可知，收压块形状会一定程度上影响收口结果。对比 4 种不同型号的块状收压仿真结果发现，在同一进给量下，铆螺母收口的最大位移量几乎没有变化，收压块尺寸对铆螺母收口影响作用主要体现在变形影响区域上。收压块的宽度变化后，对铆螺母的收口位移区域的面积影响不大，宽 3 mm 的收压块与宽 2 mm 的收压块并没有体现出明显差异，但是长度为 2 mm 的收压块变形区未影响到铆螺母底端，3 mm 长度的收压块对铆螺母底端也造成影响。其中，点状收压虽然能够使得铆螺母获得足够的变形量，但是由于变形只在小范围内，这将会造成铆螺母收口段发生应力集中。
由于力矩值只能在节点上单一显示，因此需在仿真软件可视化模块中，创建 XY 数据，在 ODB 场变量输出中，导出唯一节点的 RM 值，得到 XY 曲线，该曲线为锁紧力矩-时间曲线图，其中 2 mm×3 mm 收压锁紧力矩曲线如图 14 所示，由于仿真模型设置了一个接触步，因此在开始时力矩输出为 0，当螺栓开始旋入时，力矩迅速提升至最大，随着螺栓拧入所需力矩逐渐变小，安装完毕后旋入力矩下降到 0。将几种不同形式的收压块收口后的锁紧力矩分别记录在表 4 中。由变形云图可知，收压块截面形状为 2 mm×3 mm 时，锁紧力矩较大，并且收口区域的变形均匀。
金属材料受到较大的力，发生塑性变形后，由于其蠕变现象和恢复现象，将会发生回弹，只能保留一部分塑性变形。螺栓多次拧紧配合对收口处的变形作用机理即是如此。收口处发生扩口后将会发生回弹，仅保留一定量的塑性变形，这导致再次安装时收口量变小，锁紧力矩发生衰减。图 15 中，试件 1、2、3 为同一模具和工艺参数的铆螺母，AVE 为 3 个试件试验结果的平均值。通过拧紧力、松脱矩衰减实验曲线可知，铆螺母锁紧力矩和松脱力矩的衰减曲线具有相似性，力矩值随着循环试验次数增加而逐渐下降，最终锁紧力矩趋于稳定。并且，无论是锁紧力矩还是松脱力矩，力矩的衰减主要出现在第一次拧入拧出中。
4 结语
通过实验与仿真相结合的方法，分别研究了在不同变形区厚度下铆螺母的铆接变形情况、收口工艺对锁紧力矩的影响规律以及铆接结构的拉拔失效形式与机理。对比仿真与实验结果的可知，本文提出的有限元模型能够很好地预测铆螺母的安装过程与拉拔过程失效结果，并得到以下结论：
（1）变形区的厚度是影响铆螺母铆接质量的重要因素。变形区厚度太大（0.49 mm），铆螺母虽然形成了鼓包区域，但是与螺栓配合的螺纹段也发生了严重变形，这不仅会在螺牙之间引入微小的损伤，还会影响后续螺栓的连接过程。而变形区较小时，连接结构的拉拔力较小，结构容易发生。得到当铆螺母变形区厚度选取为 0.44 mm 时，整个结构初始拉拔力和破坏拉拔力均为最大，铆螺母连接结构的连接质量最好。
（2）收压块的形状将会影响收口效果，在相同的收压量下，点状收压块和矩形收压块收压后铆螺母的最大变形量几乎相同，但是点状收压将会导致结构发生应力集中，服役过程中容易导致结构的破坏力矩是什么意思，2 mm×2 mm 的矩形收压后收口段的变形影响区较小，而 2 mm×3 mm 和 3 mm×3 mm 的收压块变形影响区大小几乎相同。
（3）有限元仿真结果能较好反映锁紧力矩的实验结果。锁紧力矩与松脱力矩随着循环次数的升高而逐渐降低，并且力矩的衰减主要集中在第一次循环，当循环次数较高时，锁紧与松脱力矩衰减变小。
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