铆钉冲压应力分析

基于Ansys的铆钉冲压过程应力应变分析研究生姓名：段晓溪班级：材加6班学号：S130********指导教师：高士友教授目录第一章研究任务简介 (2)1.1题目描述： (2)1.2题目分析： (2)第二章建立模型 (3)2.1设定分析作业名和标题 (3)2.2定义单元类型 (4)2.3定义实常数 (5)2.4定义材料属性 (6)2.5建立实体模型 (8)2.6对铆钉划分网格 (12)第三章定义边界条件并求解 (13)3.1施加位移边界 (13)3.2施加位移载荷并求解 (14)第四章查看结果 (15)4.1查看变形 (16)4.2查看应力 (17)4.3查看截面 (18)第5章结论 (19)第6章参考文献 (19)第一章研究任务简介1.1题目描述：为了考察铆钉在冲压时，发生多大的变形，对铆钉进行分析。

铆钉如图1.1所示。

基本参数：铆钉圆柱高：10mm 铆钉下端球径：15mm弹性模量：2.06E11 铆钉圆柱外径：6mm泊松比：0.3 铆钉内孔孔径：3mm图 1.1 铆钉铆钉材料的应力应变关系如表1.1所示[1]。

表1.1 应力应变关系1.2题目分析：塑性是一种在某种给定荷载下，材料永久产生变形的材料特性，对大多数的工程材料来说，当其应力低于比例极限时，应力—应变的关系是线性的。

另外，大多数材料在应力低点屈服点时，表现弹性行为，也就是说，当移走荷载时，其应变也完全消失[2]。

由于材料的屈服点和比例极限相差极小，因此在ANYSYS程序中，假定他们是相同的。

在应力—应变的曲线中，低于屈服点的叫做弹性部分，超过屈服点的叫做塑性部分，也叫作应变强化部分。

塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。

第二章建立模型建立模型包括设定分析作业名和标题；定义单元类型和时常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。

其步骤如下：2.1设定分析作业名和标题在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。

铆钉冲压应力分析课程：ANSYS14.0 理论解析与工程应用实例班级：姓名：学号：日期：目录一．问题描述二．建立模型1设定分析作业名和标题2.定义单元类型3.定义实常数4.定义材料属性5.建立实体模型6.对铆钉划分网络三定义边界条件并求解1. 施加位移边界2. 施加位移载荷并求解四查看结果1 查看变形2 查看应力3 查看截面4 动画显示模态形状5 退出ANSYS五结论六参考文献铆钉冲压应力分析一．问题描述为了考察铆钉在冲压时发生多大的变形，下面对铆钉进行分析。

铆钉圆柱高度为10mm,圆柱外径为6mm,内孔孔径为3 mm,下端球径为15mm,弹性模量为2.06E11，泊松比为0.3，铆钉模型如图应变应力/MPA 应变应力、MPA 0.003 618 0.011 15100.005 1128 0.02 16000.007 1317 0.2 16100.009 1466铆钉材料的应力应变关系二．建立模型1设定分析作业名和标题（1）设定分析作业名。

执行菜单中的File-Change Jobname命令，输入110223101作为数据库文件名，单击“Add”完成修改（2）设定标题。

执行菜单中的File- Change Tile输入110223101作为标题名，单击“OK”完成标题名指定（3）重显示图形。

Plot-Replot指令（4）设置过滤选项。

Preference-Structural-OK完成过滤设置2.定义单元类型在输入窗口输入命令ET,1，SOLID45，完成单元类型定义3.定义实常数本分析选用三维的SOLID45，不需设置实常数4.定义材料属性考虑到应力分析中必须定义材料的弹性模量和泊松比，塑性问题中必须定义材料的应力应变关系，具体操作步骤如下。

（1）定义弹性模量和泊松比。

执行菜单中的Preprocessor-Material Props- Material Model 命令，在弹出的的对话框依次选择Structural-Linear-Elastic-Isotropic 选项，在弹出的对话框输入EX为2.06e11,PRXY为0.3，单击OK 返回（2）在右侧的列表框选Structural-Nonlinear-elastic-multiliner 选项，在弹出的对话框，单击Add Point 增加材料关系点，输入铆钉材料的应力应变关系数据，单击Graph显示材料曲线关系，如图单击OK返回对话框，并关闭对话框5.建立实体模型(1）创建一个球体。

论铆钉铆接装配应力的分析和计算黑龙江省哈尔滨市150000摘要：在机械工程受力分析开设的实际工作流程中，铆钉铆接装配方式的应用一直是相关人员关注的重点。

基于此，本文首先阐述了铆钉铆接装配应力的计算过程，详细论述了铆钉铆接装配应力数值的分析途径。

关键词：铆钉铆接；装配；应力；分析；计算在装配机械化生产对象的实际工作环节中，技术人员在铆钉铆接过程中产生的成形力与相应机械零件的制作材质、大小型号有着直接的内在联系。

只有技术人员灵活掌握铆钉铆接装配应力数值的实际核算模式，才能在采用正确分析路径前提下，实现铆钉铆接工作效率的快速提升，更好地保证机械装配对象的装配质量。

一、铆钉铆接过程研究意义铆钉是用于连接两个带通孔，一端有帽的零件(或构件)的钉形物件。

在铆接中，利用自身形变或过盈连接被铆接的零件。

铆钉种类很多，而且不拘形式。

铆接即铆钉连接，是利用轴向力将零件铆钉孔内钉杆墩粗并形成钉头，使多个零件相连接的方法。

装配过程是整个产品生产中的重要环节之一，装配过程中机械连接占了很大比重，机械连接效率在一定程度上决定了装配效率。

因此如何提高机械连接效率对提高装配、生产效率有着重大的意义。

铆钉铆接是一种常用的机械连接方法，广泛应用于零部件之间的连接中，由于焊接会降低一些材料焊接处材料强度，并产生焊接缺陷、变形、残余应力等问题，从而影响了制造精度，因此铆钉铆接有其它机械连接不可替代的优势，现已成为一种行之有效且不可或缺的连接方法。

然而结构破坏也常始于铆接的间隙配合处，在经历一定载荷次数后间隙配合处常发生疲劳破坏而失效，因此对铆接过程中的力学行为进行分析并预测出结构疲劳寿命，将会对提高结构的安全性能有着重要的意义。

由于上述原因，对铆钉铆接过程进行深入研究显得十分必要，研究结果对提高生产中的连接效率和使用寿命有着很好的指导作用。

二、铆钉铆接装配应力的计算过程1、铆钉铆接成形受力数值的计算。

技术人员可通过测量铆钉内部转载的实际直径、自身钉孔型号、相应铆钉板横截面厚度，准确测量装配中使用指定铆钉机械化生产零件时可能产生的应力数值。

拉铆钉承载力分析——静力学部分表拉铆钉参数图拉铆钉铆接后受力分析图上表中红线区域为选用常用拉铆钉规格，拉伸极限强度为4000N，即钉芯的拉断力为4000N，依据力的相互作用原理，得出拉铆钉的预紧力：Fr=4000N最大载重Fw要小于两钢板间的最大静摩擦力Ff（视两钢板间有相对滑动即为铆接失效），其中Ff=Fr×f其f为钢板间静摩擦系数f=0.1，代入公式得最大静摩擦力Ff=400N，取安全系数s=2，则最大载重Fw=200N，即一颗铆钉夹着的两块钢板可载重20kg。

以下是两颗铆钉，承载40kg工况下仿真结果：图40kg载荷下摩擦应力分布图40kg载荷下铆钉安全系数图40kg载荷下钢板应力分布图40kg载荷下单个铆钉应力分布以上简单计算仅仅是在静力学前提下，还需进步考虑以下情况：1、钢板的刚度影响，钢板的受力点较远，钢板会屈曲变形（失稳），因此拉铆钉纵向的间距主要考虑是钢板的刚度；2、动力学的影响，如随机振动等；3、疲劳寿命仿真。

拉铆钉承载力分析——屈曲变形部分屈曲分析是在静力学基础上计算得来的，静力学的结果作为屈曲分析的输入条件。

式中可得：钣金高度L2与临界载荷P成反比F屈服=λ×F施加载荷因子λ仿真结果（仿真中L=75mm）：Mode Load Multiplier1. 61.0412. 84.9863. 160.294. 289.965. 298.421阶屈曲变形载荷因子λ=61.041，则对应的临界载荷P为2441kg依据钣金高度L2与临界载荷P成反比的关系，当临界载荷P=40kg（两颗铆钉的承载力）时，对应的钣金高度L=585mm，即铆钉纵向间距不能超过此值，否则会失稳。

（前提条件还有，钣金厚度为2mm，材料为碳钢，钣金截面尺寸为200mm×2mm）。

拉铆钉承载力分析——随机振动部分以铁路运输试验条件，频率是5~150Hz，随机振动给人的感觉如同乘座火车，对应的加速度谱密度选用0.05 (m/s2)2/Hz。

铆钉冲压应力分析1.分析问题为了研究铆钉在冲压时，发生多大的变形，对铆钉进行分析。

铆钉圆柱高：10mm；铆钉圆柱外径：6mm；铆钉圆柱内径：3mm铆钉下端球径：15mm；弹性模量：2.06E11；泊松比：0.3铆钉材料的应力应变关系：2.建立模型2.1设定分析作业名和标题(1) File->Change Jobnome->在文本框中输入“maoding”->OK(2) File->Change Title->在文本框中输入“plastic analysis of a part”->OK(3) Plot->Replot(4) Main Menu：Preferences->在Preferences for GUI Filtering对话框中选中“structural”->OK2.2定义单元类型Main Menu：Preprocessor->Element Type->Add/Edit/delete->在Element Types对话框中选中Add->在单元类型库对话框中选择Solid选项->选中Brick 8node 45->OK->Close2.3定义材料属性(1) Main Menu：Preprocessor->选择Material Props->选择Material Models->选择Structural->选择Linear->选择Elastic->选择Isotropic(2) 在EX文本框中输入弹性模量2.06e11，在PRXY文本框中输入泊松比0.3(3) 点击OK(4) 依次点击Structural->选择Nonlinesr->选择Elastic->选择Multilinear elastic(5) 点击Add Point，分别输入材料的关系点（6）单击Graph->OK(7) 在窗口中，选择Material->Edit2.4建立实体模型(1)Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Create->选择Volumes->选择Sphere->选择Solid Sphere(2) 在文本框中输入X=0，Y=0,Radius=7.5->OK(3) Workplace->选择Offset WP by Increments(4) 在XY，YZ，ZX Angles文本框中输入0,90,0,->OK(5) Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Operate->选择Booleans->选择Divide->选择Volu by wrkplane->选择球体->OK(6) Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Delete->选择Volume and below->选择球体上半部分->OK(7) Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Create->选择 Volumes->选择Cylinder->选择Solid cylinder(8) 在文本框中输入WP X=0，WP Y=0,Radius=3,Depth=-10->OK(9) Workplace->选择Offset WP to->选择XYZ Location+->在Global Cartesian文本框中输入0,10,0->OK(10) Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Create->选择 Volumes->选择Cylinder->选择Solid cylinder(11) 在文本框中输入WP X=0，WP Y=0,Radius=1.5,Depth=4->OK(12) Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Operate->选择Booleans->选择Subtract->选择Volumes(13) 拾取大圆柱体，单击Apply(14) 拾取小圆柱体，单击OK(15) Main Menu：Preprocessor->选择Modeling->选择Operate->选择Booleans->选择Add->选择Volumes->点击Pick All(16) 点击“SAVE_DB”2.5对铆钉划分网络(1) Main Menu：Preprocessor-> Meshing-> Mesh Tool(2) 选择Mesh域中的Volumes->单击Mesh->点击PickAll->Close3定义边界条件并求解3.1施加位移边界(1) Main Menu：Solution-> DefineLoads->Apply->Structural->Displacement->On Areas(2) 选中下半球面，单击OK(3) 选择All DOF，单击OK3.2施加位移载荷并求解(1) Main Menu：Solution-> Define Loads-> Apply-> Structural-> Displacement-> On Areas(2) 选中上面圆环面，点击OK(3) 选择UY->在Displacement value文本框中输入3->单击OK(4) Main Menu：Solution-> AnalysisType-> Sol’n Controls(5) 在窗口中选择All solution items，下面的Frequency中选择Write every substep(6) 在Time at end of loadstep处输入1->在Number of substep处输入20->OK(7) Main Menu：Solution->选择solve->选择Current LS->OK4查看结果4.1查看变形(1) Main Menu：General Postproc->选择Plot Results->选择Contour Plot->Nodal Solu(2) 点击DOF Solution->选择Y-component of displacement(3) 在Undisplaced shape key处选择Deformed shape with undeformed edge->ok4.2动态显示模态形状(1) PlotCtrls->Animate->Mode Shape(2) 选择DOF solution->选择Translation UY->OKANSYS将在图形窗口进行动画显示。

拉铆钉承载力分析——静力学部分表拉铆钉参数图拉铆钉铆接后受力分析图上表中红线区域为选用常用拉铆钉规格，拉伸极限强度为4000N，即钉芯的拉断力为4000N，依据力的相互作用原理，得出拉铆钉的预紧力：Fr=4000N最大载重Fw要小于两钢板间的最大静摩擦力Ff（视两钢板间有相对滑动即为铆接失效），其中Ff=Fr×f其f为钢板间静摩擦系数f=0.1，代入公式得最大静摩擦力Ff=400N，取安全系数s=2，则最大载重Fw=200N，即一颗铆钉夹着的两块钢板可载重20kg。

以下是两颗铆钉，承载40kg工况下仿真结果：图 40kg载荷下摩擦应力分布图 40kg载荷下铆钉安全系数图 40kg载荷下钢板应力分布图 40kg载荷下单个铆钉应力分布以上简单计算仅仅是在静力学前提下，还需进步考虑以下情况：1、钢板的刚度影响，钢板的受力点较远，钢板会屈曲变形（失稳），因此拉铆钉纵向的间距主要考虑是钢板的刚度；2、动力学的影响，如随机振动等；3、疲劳寿命仿真。

拉铆钉承载力分析——屈曲变形部分屈曲分析是在静力学基础上计算得来的，静力学的结果作为屈曲分析的输入条件。

式中可得：钣金高度L2与临界载荷P成反比F屈服=λ×F施加载荷因子λ仿真结果（仿真中L=75mm）：Mode Load Multiplier1.61.0412.84.9863.160.294.289.965.298.421阶屈曲变形载荷因子λ=61.041，则对应的临界载荷P为2441kg依据钣金高度L2与临界载荷P成反比的关系，当临界载荷P=40kg（两颗铆钉的承载力）时，对应的钣金高度L=585mm，即铆钉纵向间距不能超过此值，否则会失稳。

（前提条件还有，钣金厚度为2mm，材料为碳钢，钣金截面尺寸为200mm×2mm）。

拉铆钉承载力分析——随机振动部分以铁路运输试验条件，频率是5~150Hz，随机振动给人的感觉如同乘座火车，对应的加速度谱密度选用0.05 (m/s2)2/Hz。

第三节 挤压的实用计算 机械中的联接件如螺栓、销钉、键、铆钉等，在承受剪切的同时，还将在联接件和被联接件的接触面上相互压紧，这种现象称为挤压。

如图6-1所示的联接件中，螺栓的左侧园柱面在上半部分与钢板相互压紧，而螺栓的右侧园柱面在下半部分与钢板相互挤压。

其中相互压紧的接触面称为挤压面，挤压面的面积用bs A 表示。

一、挤压应力通常把作用于接触面上的压力称为挤压力，用bs F 表示。

而挤压面上的压强称为挤压应力，用bs σ表示。

挤压应力与压缩应力不同，压缩应力分布在整个构件内部，且在横截面上均匀分布；而挤压应力则只分布于两构件相互接触的局部区域，在挤压面上的分布也比较复杂。

像切应力的实用计算一样，在工程实际中也采用实用计算方法来计算挤压应力。

即假定在挤压面上应力是均匀分布的，则: bs bsbs A F =σ (6-5)挤压面面积bs A 的计算要根据接触面的情况而定。

当接触面为平面时，如图6-2中所示的键联接，其接触面面积为挤压面面积，即l h A bs 2=（图6-9a 中带阴影部分的面积）；当接触图6-9 挤压面积的计算面为近似半圆柱侧面时，如图6-1中所示的螺栓联接，钢板与螺栓之间挤压应力的分布情况如图6-9b 所示，圆柱形接触面中点的挤压应力最大。

若以圆柱面的正投影作为挤压面积（图6-9c 中带阴影部分的面积），计算而得的挤压应力，与接触面上的实际最大应力大致相等。

故对于螺栓、销钉、铆钉等圆柱形联接件的挤压面积计算公式为t d A bs =，d 为螺栓的直径，t 为钢板的厚度。

二、挤压的强度条件在工程实际中，往往由于挤压破坏使联接松动而不能正常工作，如图6-10a 所示的螺栓图6-10 螺栓表面和钢板圆孔受挤压联接，钢板的圆孔可能被挤压成如图6-10b 所示的长圆孔，或螺栓的表面被压溃。

因此，除了进行剪切强度计算外，还要进行挤压强度计算。

挤压强度条件为][bs bs bs bs A F σσ≤= (6-6)式中的[bs σ]为材料的许用挤压应力，可以从有关设计手册中查得。

铆钉的力学性能测试与分析方法铆钉是一种常见的连接元件，广泛应用于机械、航空航天、汽车等领域。

在使用铆钉进行连接时，了解铆钉的力学性能具有重要意义，可以确保连接的可靠性和安全性。

本文将介绍铆钉的力学性能测试与分析方法，旨在帮助读者了解如何评估和优化铆钉连接的强度和可靠性。

一、强度测试与分析方法1. 静态拉伸测试静态拉伸测试是评估铆钉强度的一种常见方法。

该测试将铆钉安装在拉伸试验机上，通过施加静态拉伸载荷来测试铆钉的承载能力。

测试时应注意采用正确的夹持方式，确保载荷均匀施加在铆钉上。

2. 剪切测试剪切测试可以评估铆钉在承受剪切载荷时的强度。

该测试方法将铆钉置于剪切试验机上，并施加剪切力来测试铆钉的承载能力。

测试时应注意切口的尺寸和形状，以及铆钉与试样的夹持方式。

3. 冲击测试冲击测试可以评估铆钉在受到冲击载荷时的强度。

该测试方法通常使用冲击试验机，在铆钉上施加冲击载荷，并记录铆钉的破坏形态和破坏能量。

测试时应注意选择适当的撞击速度和冲击位点，并对结果进行分析和解释。

二、可靠性测试与分析方法1. 疲劳寿命测试疲劳寿命测试可以评估铆钉在循环载荷下的寿命和可靠性。

该测试方法通过施加循环载荷来模拟实际工作条件下的应力循环，并记录铆钉的破坏寿命。

测试时应注意选择适当的载荷范围和循环频率，并进行统计分析。

2. 环境腐蚀测试环境腐蚀测试可以评估铆钉在恶劣环境中的耐蚀性和可靠性。

该测试方法使用盐水、酸碱等腐蚀液体来模拟环境，将铆钉置于其中，观察铆钉的腐蚀情况。

测试时应注意选择适当的腐蚀液体和浸泡时间，并对结果进行分析和解释。

三、力学性能分析方法1. 应力分析通过对铆钉连接部位的应力进行分析，可以评估铆钉在承受载荷时的应力分布情况，从而判断连接的强度和可靠性。

应力分析可以使用有限元分析方法进行模拟计算，也可以使用传统的应力计算公式进行分析。

2. 破坏分析对铆钉在测试中的破坏形态和破坏机理进行分析，可以帮助确定铆钉连接的强度缺陷和改进方向。

0引言铝合金具有比强度高、耐蚀性好以及再生性能极佳等优点，应用于铁路车辆可有效减轻车辆的自重，提高车辆的载重。

由于铝合金所具有的特点，使得车辆运行和回收更加节能环保，车辆的整个生命周期成本更低。

车辆的结构连接一般有焊接和铆接，铝合金的焊接技术难度大、设备投资高，且不利于以后车辆的维护，所以一般采用铆接进行结构连接。

由于铝合金熔点低，只能采用冷铆的方式，所以拉铆钉是铝合金结构连接中首选方案。

根据拉铆钉的特点，结合铝合金结构连接的要求。

我们对铝合金车辆结构连接中的应力进行了研究分析。

1铆接过程中铝板承受的应力状态。

通过有限元软件对拉铆钉铆接过程进行分析，计算出铝板在铆接过程中承受的应力分布。

采用刚塑性理论作为FEM 的理论推导基础，其基本公式为：①平衡微分方程（运动方程）式中②速度———应变速率关系方程（几何方程，协调方程）：③Levy-Misses 应力应变率关系方程式中———等效应变速率，———等效应力，———————————————————————作者简介:张荣（1985-），男，重庆人，学士，工程师，主要从事拉铆紧固连接技术研发及技术管理工作。

铝合金拉铆连接应力分析张荣;代广成;陈佳梅;罗唯;何旭（眉山中车紧固件科技有限公司，眉山620010）摘要:根据拉铆钉的特性，进行铝合金铆接过程铆接应力分析。

通过有限元和实验进行铝合金铆接间距应力分析，得出铆钉分布的合理间距。

关键词:铝合金；拉铆；应力；间距而对于锁紧螺母，采用MoS 2+润滑油作为润滑剂，既可以大幅度改善螺纹间的界面接触，起到最佳的润滑效果，提高预紧力的转化效率，防止螺纹锁死。

同时也可以稳定扭矩系数，使得螺栓组之间的预紧力偏差降到最低。

因此对于锁紧螺母应尽量采用类似MoS 2+润滑油这种混合润滑介质。

同时，从图3中的结果可以看出，由于锁紧螺母附加力矩的存在，即使采用混合润滑介质，其扭矩系数相对于普通螺母偏高，因此选用锁紧螺母时应适当选用较高的扭矩以获得足够的预紧力。

一、实验目的1.了解有限元分析软件的基本操作，能够应用有限元分析软件对简单的飞机装配连接件进行力学分析。

2.了解铆钉在外力作用下的应力-应变状态，能够准确的利用有限元软件进行模型的建立、网格的划分、材料属性的定义、载荷的加载等操作，能够应用后处理模式对铆钉的受力状态进行分析。

二、实验条件Ansys软件三、实验内容1.在有限元软件中建立铆钉的几何实体模型；2.定义单元类型→定义实常数→定义材料属性→实体模型划分网格→定义边界条件并求解；3.进入后处理程序，应用应力-应变云图对铆钉的受力状态进行分析。

四、实验步骤1、分析求解步骤进行环境设置①GUI Utility Menu>File>Change Jobname执行该命令后在弹出的[Change Jobname]对话框输入rivet作为工作文件名，单击0K。

②GUI Utility Menu>File>Change Title 在弹出的[Enter new title]设置框中输入link112作为分析标题，单击0K按钮，关闭对话框。

③GUI Utility Menu>Plot>Replot单击该按钮，所命名的分析标题会出现在图形窗口左下角。

2、定义单元类型①GUI Main Menu>Preferences在弹出的对话框选择分析类型，选择structural 然后定义单元的类型选择单元类型，单击0K按钮，确认选择，关闭对话框。

⑤单击Close 按钮，关闭[Element Types]对话框。

3、定义材料参数GUI Main Menu>preprocessor>输入命令① GUI Main Menu>preprocessor>Material props>Material Models，②弹出[Define Material Available]窗口。

③在[Material Models Behavior]选择栏中Material Model Number>Structural>Linear>Elastic>Isotropic命令，弹出[Linear Isotropic Properties for Material Number 1]对话框,④在[EX]设置框中输入2.06e11, 在[PRXY]栏输入0.3，⑤单击0K，确认输入，关闭对话框，Structural>Nonlinear>Elastic>Multilinear Elasti定义材料的应力应变，点击Add Point添加七个系列的关系点如下图⑥在[Define Material Model Behavior]窗口中选择Exit命令，退出定义材料属性的窗口。