循环载荷作用下自冲铆接头机械内锁区的滑移特性及疲劳失效研究

Self-Pierce Riveting is a new cold-press rivet technique for the joining of sheet material, and its joint is characterized by the complex structure of mechanical interlock. The micro-slid in the joint’s interlock under variable load is the main induction factor to the decline of structure stiffness and fatigue strength. Few research is related to the development of the micro-slip in the interlock and its fatigue mechanism. In this project, the property of the interlock slid in SPR joints will be studied by using digital image analysis technology based on mechanical experiments. The sequential images of the deformation of SPR during the tensile test can be recorded synchronously, and the micro-slid can be calculated by using digital image processing algorithms. So the property of the micro-slip in SPR joint under steady and variable load will then be clarified. The influence of loading mode,loading coefficient and loading frequency to the micro-slip will be investigated. The macro and micro fractography of SPR joints will be carried out by using SEM and EDS, and the surface topography and the componect of interlock in the evolutionary process can be observed. The fatigue fracture feature,the stress distribution, the source of crack and its propagation will also be investigated. The influence of micro-slip to the fatigue failure of the joints will be discriminated, and the property of the damage evolving will be discussed.

自冲铆是一种针对薄板材料的新型冷压嵌铆连接方法，其接头连接节点具有复杂的机械内锁结构。循环载荷作用下自冲铆接头机械内锁区多个构件间的微动滑移是导致结构件刚度和疲劳强度下降的主要诱因。已有的研究缺少对微动滑移演化规律及其相关疲劳损伤机理的认识。本项目针对板材自冲铆接头，拟采用力学性能试验与数字图像分析技术相结合的方法，提取受载过程中接头机械内锁区的形变图像，并通过图像分析算法实现微动滑移的定量分析，据此阐明受载荷工况下微动滑移的演变特征，同时，结合力学性能试验，分析加载方式、加载系数、加载频率等物理量对微动滑移的影响。开展针对接头机械内锁区的宏/微观断口分析，借助扫描电镜、能谱仪等材料检测分析手段，提取交变载荷下滑移表面形貌、材料成份的演变信息，分析研究接头疲劳断裂失效的性质、受力状态以及裂纹的萌生与扩展等基本问题，辨析微动滑移对疲劳断裂失效的影响，探讨接头损伤演化规律。

自冲铆是一种针对薄板材料的新型冷压嵌铆连接方法，其接头连接节点具有复杂的机械内锁结构。循环载荷作用下自冲铆接头机械内锁区多个构件间的微动滑移是导致结构件刚度和疲劳强度下降的主要诱因。本项目基于响面法建立了自冲铆接头失效载荷预测的回归方程，并通过实验验证了模型的适用性，借助此模型，以被连接材料以及铆钉的物性参数为输入条件，可方便、快捷、准确得到成型力和连接强度。提出了基于射线声学的自冲铆接头机械内锁区几何特征尺寸检测方法，实现了自冲铆接头特征尺寸的无损检测，为自冲铆连接结构件的质量评价提供了一种新的技术途径；融合材料力学性能试验与数字图像技术，构建了自冲铆机械内锁区滑移检测分析系统，用于自冲铆滑移特征的定性与定量分析；同时，建立自冲铆接头结构有限元仿真模型，对比分析具有不同钉脚张开度的自冲铆机械内锁的失效过程，研究表明：受载状态下，自冲铆接头存在一个临界滑移启动载荷值，当外载荷大于此临界值时，滑移错动量明显增大，机械内锁局部发生塑性大变形，并最终呈现脱离失效模式，钉脚张开度对自冲铆构件的强度和刚度影响较大，提高钉脚张开度有助于增大构件整体刚度。建立了自冲铆以及点焊接头的载荷-疲劳寿命S-N曲线，明确了其疲劳失效模式，研究表明：自冲铆接头疲劳断裂始于与铆钉接触的基板区，交变载荷作用下机械内锁区存在板材与铆钉间的微动滑移，进而形成微动磨损现象，自冲铆接头S-N曲线的建立以及疲劳失效分析为相关薄板材料结构件的疲劳可靠性设计分析提供了理论依据。