什么是開口型沉頭鉚釘？
開口型沉頭鉚釘是一種高強度鉚接連接緊固件，有高強度、高光潔度、鉚接表面光亮持久、沒有銹蝕點、鉚接面穩(wěn)定、可靠、鉚接表面是平面等特點。
開口型沉頭鉚釘
開口型沉頭鉚釘適應廣泛，適用于各種材質的板材之間的緊固。規(guī)格品種多，多材質、多孔徑、多長度、多表面處理方式、可選品種多，使用方便，鉚接工具使用簡單，安裝效率高。廣泛用于建筑、汽車、船舶、飛機、機器、電器、家具等產品上。
開口型沉頭鉚釘優(yōu)點：開口型沉頭鉚釘是在鉚接中，利用自身形變或過盈連接被鉚接的零件。適應不同材質之間的緊固連接，開口型沉頭鉚釘適應不需要拆卸的場合，可在工件的單面使用，工具簡單，安裝效率高。
連接板厚度對沉頭鉚釘連接強度的影響分析
鉚接是飛機機體制造的傳統(tǒng)工藝，也是目前機體結構的主要連接形式。它具有工藝簡單、連接牢固可靠、便于檢查、質量穩(wěn)定等優(yōu)點。
常用的鉚釘有平錐頭、半圓 頭、扁圓頭和沉頭等形式。沉頭鉚釘用于零部件需要平滑的地方，不允許鉚釘凸出表面，如機翼、機身、尾翼等蒙皮表面。
沉頭鉚釘也大量應用于飛機蒙皮對接結構中，一般選用多排鉚釘搭接或對接的形式進行連接。
如飛機典型的蒙皮對接結構為雙排沉頭鉚釘框上對接形式（見圖1）。
一般計算該結構的設計載荷時，認為連接蒙皮與框緣的雙排鉚釘僅通過受剪傳遞蒙皮載荷，并且均勻受剪，即設計載荷為雙排鉚釘單剪許用值之和。
而試驗時發(fā)現(xiàn)，連接蒙皮（厚度為1.5mm）對接處的沉頭鉚釘（直徑為 5mm）較早發(fā)生破壞，破壞載荷為設計載荷的 93.5%，試驗件破壞形式如圖2所示。
圖1 飛機典型蒙皮對接形式
圖2 蒙皮對接試驗件破壞形式圖
從傳載角度分析，理想情況下蒙皮對接處鉚釘僅承受面內剪切載荷。而實際受載過程中，蒙皮對接處的鉚釘或鉚釘孔在承受較大載荷后均會產生不同程度的塑性變形。
而當蒙皮厚度較薄時，锪窩對鉚釘孔削弱較大，鉚釘孔的擠壓面積較小，導致鉚釘孔變形較大（見圖2）。
較大的變形使鉚釘軸線發(fā)生傾斜，從而使鉚釘沿軸線方向可能產生一部分拉伸載荷。若鉚釘同時承受拉伸和剪切復合載荷，可能會對其連接強度有所影響。
因此，參考文獻[5]中提到沉頭鉚釘最大锪窩深度應確保釘桿擠壓部分的厚度不小于0.254mm，且不小于沉頭面被連接件厚度的1/3。若孔的擠壓面積減少，鉚釘?shù)倪B接強度可能會有所降低。
以上分析定性地說明了鉚釘連接強度可能會受到連接板厚度的影響，但缺乏定量的數(shù)據(jù)分析以及板厚對鉚釘連接強度的影響程度。
因鉚釘從受剪到破壞的過程涉及復雜的彈塑性、接觸及大變形等非線性問題，一般的理論方法無法準確分析其受載過程。
因此采用非線性有限元方法對鉚釘?shù)氖茌d過程進行模擬，在模型中綜合考慮彈塑性、接觸以及幾何大變形等非線性因素，盡可能真實地模擬鉚釘?shù)氖芰顟B(tài)。
分析時一方面考慮锪窩對鉚釘孔剛度的影響，將沉頭鉚釘與平錐頭鉚釘?shù)氖茌d、變形情況進行對比；另一方面考慮板厚對沉頭鉚釘受載的影響，對比連接板厚度不同時沉頭鉚釘?shù)氖茌d、變形情況，最后進行強度分析。
有限元模型簡介
根據(jù)飛機結構中典型的沉頭鉚釘及蒙皮設計參數(shù)，并考慮與典型的平錐頭鉚釘或與較厚蒙皮連接的沉頭鉚釘進行對比，采用ABAQUS有限元分析軟件建立單釘平板搭接結構有限元模型三套，模型相關參數(shù)見表1。
沉頭鉚釘連接有限元模型如圖3所示，平錐頭鉚釘連接有限元模型如圖4所示。鉚釘直徑為5mm，沉頭深度為1.08mm，單剪許用值為4805N。在模型材料卡片中增加彈塑性本構關系，鉚釘材料為2A10鋁合金，蒙皮材料為2A12鋁合金，材料具體性能參數(shù)見表2
表1 有限元模型參數(shù)
表2 材料性能
圖3 沉頭鉚釘連接有限元模型 圖4 平錐頭鉚釘連接有限元模型
對平板搭接結構施加單拉載荷，下板左端固支，上板右端施加4805N拉伸載荷，同時限制板的面外變形以消除偏心影響。
同時分別在釘柱面與釘孔、釘頭與蒙皮及蒙皮相互之間建立了接觸關系。各釘?shù)募羟休d荷或拉伸載荷可通過釘柱面或釘頭的接觸力在相應方向上的投影來得到。
考慮結構在加載后期變形較大，在模型中設置幾何非線性開關處于打開狀態(tài)。
有限元分析結果
根據(jù)有限元分析結果，三套有限元模型等效應力云圖如圖5所示，等效塑性應變云圖如圖6所示。
根據(jù)圖5及圖6，模型1鉚釘受載后應力集中區(qū)域在鉚釘?shù)某令^附近，等效塑性應變?yōu)?.316，模型2和模型3鉚釘受載后應力集中區(qū)域為釘剪切面附近，等效塑性應變分別為0.268和0.225，可見模型1的沉頭鉚釘會最早發(fā)生破壞。
圖5 等效應力分析結果
圖6 等效塑性應變分析結果
圖7為三種模型鉚釘承受的剪切載荷隨施加載荷增加時的對比結果，圖8為三種模型鉚釘承受的拉伸載荷隨施加載荷增加時的對比結果，圖中載荷因數(shù)為模型當前施加載荷與最大施加載荷之比。
可見三種模型鉚釘承受的剪切載荷相當，且基本呈線性增加（蒙皮的一部分載荷由搭接區(qū)域的摩擦傳遞）。
三種模型在低載時鉚釘?shù)睦燧d荷基本相當，載荷增大后，由于1.5mm板的沉頭孔剛度較低、變形較大，鉚釘軸線發(fā)生明顯傾斜（見圖5、圖6），導致沉頭鉚釘受拉變嚴重，拉伸載荷顯著高于其他模型。
圖7 鉚釘剪切載荷分析結果
圖8 鉚釘拉伸載荷分析結果
鉚釘強度分析
根據(jù)有限元分析結果，鉚釘不僅受剪而且受拉，需要對其進行拉剪復合強度分析。拉剪復合相關方程為：
（1）
安全裕度M.S.計算公式為：
（2）
（3）
（4）
式中：FT為釘拉伸載荷；[ FT ]為釘拉伸許用載荷；FS為釘剪切載荷；[ FS ]為釘剪切許用載荷。
對拉剪復合公式進行分析，圖9為RS與RT在拉剪復合裕度為0時的對應關系圖，可見隨著鉚釘拉伸載荷的增大，對應的極限剪切載荷會降低，即鉚釘受拉后會降低鉚釘搭接結構的承載能力。
圖9 RS—RT關系圖
平錐頭鉚釘?shù)睦煸S用載荷為 2449N，沉頭鉚釘?shù)睦煸S用載荷為 1837N[6]；二者的剪切許用載荷均為 4805N。
根據(jù)圖7、圖8并結合拉剪復合計算公式可得拉剪復合裕度與載荷因數(shù)的對應關系如圖 10 所示，可知當沉頭鉚釘（1.5mm 板厚）拉剪復合裕度為 0 時，對應的載荷因數(shù)約為0.932；
沉頭鉚釘（2.0mm板厚）拉剪復合裕度為0時，載荷因數(shù)約為0.951；凸頭鉚釘（1.5mm板厚）拉剪復合裕度為0時，載荷因數(shù)約為0.997?？梢娺B接板厚度對沉頭鉚釘?shù)倪B接強度影響較明顯，對平錐頭鉚釘影響不明顯。
根據(jù)試驗結果，沉頭鉚釘斷裂的試驗載荷為設計載荷的93.5%，強度分析結果約為93.2%。理論分析結果與試驗結果吻合良好，說明該理論分析方法可用于下一步研究。
連接板厚度影響分析
根據(jù)以上分析，沉頭鉚釘?shù)倪B接強度受連接板厚度影響較明顯，因此采用上述有限元及強度計算方法對其影響程度進行分析。分析時采用多個典型的連接板厚度進行研究，并擬合得到該沉頭鉚釘?shù)倪B接強度受連接板厚度影響的曲線如圖11所示。圖11中強度影響系數(shù)δ為：
（5）
式中：FD為設計破壞載荷；FR為有限元分析破壞載荷。
圖10 拉剪復合裕度與載荷因數(shù)的關系圖
圖11 沉頭鉚釘連接強度受連接板厚度影響趨勢圖
可見，板厚對連接強度的影響并非線性關系，板越薄影響越嚴重。
結束語
以上分析結果表明，鉚釘在承受剪力的同時也會承受拉力，使鉚釘?shù)倪B接強度有所降低。特別是對在較薄蒙皮上安裝的沉頭鉚釘，因锪窩對鉚釘孔削弱較大，釘孔受力時變形較大。
較大的變形使鉚釘軸線發(fā)生傾斜，導致其受拉更為嚴重，從而對其連接強度產生了顯著的影響。隨著板厚的降低，這種影響會變得更嚴重。
而連接板的厚度對平錐頭鉚釘?shù)倪B接強度沒有明顯影響。因此，針對在較薄板上安裝沉頭鉚釘時，為保證結構使用安全，應考慮鉚釘因受拉對其連接強度產生的影響。
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