一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法技术

本发明专利技术提供了一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法，包括选定试验材料进行电流辅助铆接试验，设置多组不同电流密度的单因素试验；记录不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系；对不同电流密度下连接件的静拉伸强度，进行室温下的拉伸试验；分析不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系曲线，获得不同不同电流密度下的钛合金铆钉屈服极限；分析不同电流密度作用下的镦头尺寸；分析不同电流密度作用下的接头干涉量分布情况，包括分析不同电流密度作用下的干涉量水平和干涉量分布均匀性；分析不同电流密度作用下的接头孔壁形貌；分析不同电流密度作用下的拉伸性能和失效形式；综合以上分析结果，获得电流辅助铆接最优电流密度。最优电流密度。最优电流密度。

【技术实现步骤摘要】
一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法


[0001]本专利技术涉及CFRP电流辅助铆接
，特别地涉及一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀等特点，广泛应用于航空、航天领域。钛合金具有高电位、耐腐蚀等特点，因此飞机复合材料结构连接中常采用钛合金紧固件以减轻不同装配组件间产生的电偶腐蚀。
[0003]相较于传统铆接工艺，干涉铆接能够使连接件获得均匀干涉量。前麦克唐纳
·
道格拉斯公司提出，干涉连接能够延长复合材料的疲劳寿命，较小的干涉量能够提高复合材料的疲劳强度。适当的干涉量能够提高紧固件的静强度和疲劳强度。然而钛合金铆钉的应用受到了其较大变形抗力的限制，在使用大型设备压铆时存在钉杆干涉量分布不均、镦头易开裂等问题严重影响连接质量。
[0004]近年来，国内外大量学者发现电致效应对金属材料有显著影响，随着电流强度的增加，合金的流动应力明显降低，此外，由于第二相过早沉淀和溶质原子加速扩散效应的耦合，PLC效应发生并从正态模式转变为逆态模式。提高电流密度能够加速脉冲电场α到β的相变进展。通过对比炉温加热和电流辅助方法对Ti2AlNb合金进行热压缩发现，电流辅助状态下合金流动应力大大降低，且试样宏观表面几乎没有裂纹，同时，电流的引入促进了再结晶形核，有利于再结晶行为的进行。变形其间施加电流可以大幅降低钛合金变形所需的工程应力。
[0005]虽然用脉冲电流处理钛合金铆钉确实能够改善铆钉的成形性能，但同步于压铆全程的脉冲电流处理对连接件性能有何影响仍是未知，且电流辅助铆接能否应用于工程应用仍有待进一步检验。本申请针对常规工艺及不同密度的脉冲电流同步作用于压铆时得到的不同连接件，对比分析其压铆力、镦头尺寸、干涉量分布和拉伸性能，探究孔壁损伤机理和紧固件的失效形式，分析新工艺下连接件接头的连接性能。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、选定试验材料，试验材料包括半圆头钛合金铆钉和CFRP板，钛合金铆钉表面经过喷砂处理、固溶和人工时效处理，CFRP板上预制有装配孔；
[0008]步骤S2、进行电流辅助铆接试验，设置多组不同电流密度的单因素试验，设定电流作用时间，设定压铆速率，采用力压铆模式，当压铆力达到设定最大值时停止压铆；记录不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系；
[0009]步骤S3、对比不同电流密度下连接件的静拉伸强度，进行室温下的拉伸试验；
[0010]步骤S4、分析不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系曲线，获得不同电
流密度下的钛合金铆钉屈服极限；
[0011]步骤S5、分析不同电流密度作用下的镦头尺寸；
[0012]步骤S6、分析不同电流密度作用下的接头干涉量分布情况，包括分析不同电流密度作用下的干涉量水平和干涉量分布均匀性；
[0013]步骤S7、分析不同电流密度作用下的接头孔壁形貌；
[0014]步骤S8、分析不同电流密度作用下的拉伸性能和失效形式；
[0015]步骤S9、综合步骤S4—S8的分析结果，获得电流辅助铆接最优电流密度。
[0016]优选地，所述步骤S1中钛合金铆钉为Ti45Nb材料，非端面外的表面粗糙度不大于1.6μm；CFRP板是由16层厚度为0.16mm单向预浸料对称铺层形成的层合板，铺层顺序为[0
°
/
‑
45
°
/90
°
/45
°
]2s
，预浸料的质量分数为200g/m2，树脂体积分数为40％，采用真空泵在高温高压环境中固化而成，板上预制有Φ4.1mm的装配孔；
[0017]优选地，所述步骤S2中还包括设置不同电流密度的单因素试验7组；电流作用时间为40s，压铆速率为6mm/min，采用力压铆模式，当压铆力达到设定最大值14.2kN时停止压铆；记录不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系。
[0018]优选地，所述步骤S5中还包括建立无量纲化参数D/D0和H/H0分别评价镦头直径和高度；其中D和H分别为压铆后镦头直径和高度，D0和H0分别为压铆前钉杆直径和超出搭接板部分的钉杆高度；直径和高度从三个方向分别测量后取平均值。
[0019]优选地，所述步骤S6中还包括按公式(1)和公式(2)分别计算各测量位置的绝对干涉量I
A
和平均干涉量
[0020]I
A
＝d
‑
D
H
ꢀꢀꢀ
(1)
[0021][0022]式中：d为压铆后钉杆直径；D
H
为压铆前孔直径；n为测量点个数；d
i
为在第i个测量点处压铆后的钉杆直径。
[0023]优选地，所述步骤S6中还包括引入反应数据波动情况的极差系数C和反应数据离散程度的标准差系数V评估干涉量分布的均匀性，分别由公式(3)和公式(4)定义。
[0024][0025][0026]式中：I
Amax
和I
Amin
分别为某一钉杆上最大和最小干涉量；I
Ai
为第i测量点处的干涉量。
[0027]优选地，所述步骤S7中还包括用超景深三维显微镜观察孔壁损伤情况，对不同电流密度下接头孔壁形貌分组，各组上半部分为钉帽侧CFRP孔壁形貌，下半部分为镦头侧CFRP孔壁形貌；对同类损伤进行编号，对某些电流密度下特有的损伤进行编号，根据损伤可接受的范围及镦头尺寸的参数临界值评估电流辅助铆接最优电流密度。
[0028]上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。
[0029]本专利技术提供的一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法，与现有技术相比，
至少具备有以下有益效果：
[0030]1)分析了常规铆接和电流辅助铆接过程中压铆力的变化趋势及其差异。脉冲电流能够有效改善钛合金铆钉的塑性，随着电流密度升高，在电子风效应作用下，材料的屈服极限降低，当电流密度升至13A/mm2时，屈服应力降低高达57.2％。
[0031]2)对比了常规铆接和电流辅助铆接工艺下连接件的镦头尺寸。密度低于11.5A/mm2的脉冲电流能够通过增强钛钉金属组织的流动能力而改善连接件的镦头尺寸，但是当电流密度高于该值时，镦头尺寸可能出现无法满足行业标准的情况。
[0032]3)对比分析了常规铆接和电流辅助铆接接头的干涉量分布。脉冲电流能够有效增加铆钉的绝对干涉量。不同电流密度作用下干涉量分布的波动程度变化较大，但是其离散程度变化较小。电流密度为13A/mm2时，绝对干涉量最大；电流密度为7A/mm2时，干涉量分布最均匀，波动情况最理想。
[0033]4)研究了电流辅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、选定试验材料，试验材料包括半圆头钛合金铆钉和CFRP板，半圆头钛合金铆钉表面经过喷砂处理、固溶和人工时效处理，CFRP板上预制有装配孔；步骤S2、进行电流辅助铆接试验，设置多组不同电流密度的单因素试验，设定电流作用时间，设定压铆速率，采用力压铆模式，当压铆力达到设定最大值时停止压铆；记录不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系；步骤S3、对比不同电流密度下连接件的静拉伸强度，进行室温下的拉伸试验；步骤S4、分析不同电流密度作用下铆接时压铆力与位移的关系曲线，获得不同电流密度作用下的钛合金铆钉屈服极限；步骤S5、分析不同电流密度作用下的镦头尺寸；步骤S6、分析不同电流密度作用下的接头干涉量分布情况，包括分析不同电流密度作用下的干涉量水平和干涉量分布均匀性；步骤S7、分析不同电流密度作用下的接头孔壁形貌；步骤S8、分析不同电流密度作用下的拉伸性能和失效形式；步骤S9、综合步骤S4—S8的分析结果，获得电流辅助铆接最优电流密度。2.根据权利要求1所述的CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法，其特征在于，所述步骤S1中钛合金铆钉为Ti45Nb材料，非端面外的表面粗糙度不大于1.6μm；CFRP板是由16层厚度为0.16mm单向预浸料对称铺层形成的层合板，铺层顺序为[0
°
/
‑
45
°
/90
°
/45
°
]
2s
，预浸料的质量分数为200g/m2，树脂体积分数为40％，采用真空泵在高温高压环境中固化而成，板上预制有Φ4.1mm的装配孔。3.根据权利要求1所述的CFRP电流辅助铆接接头连接性能分析方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括设置不同电流密度的单因素试验7组；电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冠宇，朱守业，吴丰竹，彭靖宇，齐振超，张子亲，李维，梁光跃，胥志超，王磊，杨洁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：