基于ABAQUS二次开发的锤铆变形分析

姜春英，殷思羽，鲁墨武，奚风丰

（1.沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.威尔森大学航空航天工程系，加拿大 多伦多 M5BK3）

1 引言

在飞机装配技术中，飞机蒙皮装配大多采用铆接连接方式。在现代飞机铆接技术中，通常采用人工锤铆，受铆接件结构的约束，一般采用反铆法。机器人铆接系统越来越受国内外学者及机构的关注[1-2]，气动铆枪与工业机器人结合能够代替人工实现机器人铆接。

飞机蒙皮铆接质量直接影响飞机的工作性能，提高铆接质量是航空制造技术必然的发展趋势。针对不同的铆接方法采用不同的工艺，获得的铆接质量也不同。目前国内外学者对压铆做了大量研究，文献[3]研究了压铆力和墩头尺寸之间的关系，认为墩头直径和高度可用于评估压铆力对铆接质量和接头疲劳特性的影响。文献[4]采用abaqus有限元法，对压铆铆钉不同位置变形时的应变率差异的影响进行研究。文献[5]针对无头铆钉压铆过程，结合主应力法和幂指数硬化理论，构建了压铆力与墩头尺寸之间的力学模型，并通过模拟结果进行验证。文献[6]采用理论分析和数值分析相结合的方式，系统地分析了压铆过程应力应变情况；借助于ANSYS/LS-DYNA模拟压铆过程，得到铆钉和铆接件的应力应变分布情况和变化规律。但对锤铆，尤其是机器人锤铆还少有研究，文献[7]通过建立动力学模型和仿真，研究了铆枪输入气压和锤铆时间对铆钉变形量的影响，并通过实验验证仿真的有效性。文献[8]研究了铆枪输入气压和锤铆时间与铆钉墩头尺寸的关系，建立了锤铆自动仿真程序，通过比较的方法，以标准墩头尺寸和最少锤铆时间为目标，获得最优工艺参数，并通过实验验证仿真的正确性。文献[9]建立了气动铆枪的运动学模型，采用ABAQUS对锤铆过程进行有限元分析，并进行实验验证仿真的可行性，结果表明，铆枪的输入气压及铆接时间是影响锤铆工艺的关键因素。文献[2]针对可实现反铆的机器人冲击铆接系统的工艺顺序、工艺参数、工艺工具、工艺控制进行了研究。广泛的研究表明，国内外学者对影响铆接质量的工艺参数做了大量的研究，然而对锤铆工艺，尤其是反铆的工艺参数方面还少有研究。

针对一双机器人锤铆实验平台进行研究，前期，文献[8，10]对该双机器人锤铆设备的铆枪冲击频率和冲击力进行了分析，采用ABAQUS二次开发，建立仿真分析程序，并进行分析，获得了该机器人正铆的最佳铆枪输入气压和冲击时间。然而该设备由于后期增加了自动送钉功能，仅可用于反铆，因此，为实现双机器人自动锤铆设备的送铆功能，针对影响反铆铆接质量的重要工艺参数进行分析。在前期研究工作的基础上，提出了一种对锤铆过程进行仿真分析的方法，基于Python语言，对ABAQUS进行二次开发，以锤铆力p、冲锤次数i作为输入参数，建立了锤铆过程的仿真分析程序。通过运行程序进行仿真，获得不同输入参数下铆钉墩头尺寸，通过比较，选取最优锤铆参数，通过实验验证了仿真方法的可靠性。

2 建立第一次冲击分析

2.1 ABAQUS分析模型的建立

针对双机器人锤铆设备的锤铆过程建立锤铆冲击模型，如图1所示。铆枪冲头顶住铆钉头，顶把顶住铆钉杆，铆枪内的活塞受气压的作用，以一定的速度捶打冲头，冲头受力冲击铆钉，使铆钉产生变形。多次冲击过程中，顶把向X-方向移动，始终顶住铆钉杆。

图1 锤铆冲击模型图Fig.1 Hammer Riveting Impact Model

2.2 单次冲击分析

根据以上冲击模型图，采用ABAQUS/Explicit求解器，建立有限元分析模型，为减少分析量，采用1/4模型，仿真模型，如图2所示。铆接的尺寸，如图3所示。

图2 有限元仿真模型Fig.2 Finite Element Simulation Model

图3 铆接尺寸示意图Fig.3 Riveting Size Diagram

图中：d—铆钉直径4mm；L—铆钉长度，根据铆钉直径、蒙皮和桁条厚度按照航空工业标准[11]选型；ɑ—蒙皮的厚度；b—桁条的厚度；H—铆钉墩头的高度；D—铆钉墩头的直径。

Johnson-Cook模型[12]是用于描述材料动态本构关系的本构模型，其结构简单，物理意义明确，获得广泛的工程应用，因此采用J-C模型描述材料的动态本构关系，其一般形式，如式（1）所示。

式中：σ—Von Mises流动应力；ε—等效塑性应变；—无量纲化的塑性应变率；A—屈服强度；B—硬化模量；C—应变率敏感系数；n—应变硬化系数；m—热软化系数，零件材料的本构参数，如表1所示。

表1 材料属性及本构参数Tab.1 Material Properties and Constitutive Parameters

为防止多次冲击后网格变形过大而产生网格错误，铆钉和安装孔接触部分的网格采用相同大小的种子；为了实现多次冲击分析，Step设置“restart requests”，Interaction采用通用接触；在设置载荷的过程中，设置Piston的冲击速度V为初始速度。

3 ABAQUS二次开发

由于锤铆是一种需要多次锤击的过程，而ABAQUS/Explicit求解器仅可以分析一次冲击，因此采用Python语言，在ABAQUS/CAE前后处理脚本接口自动分析。ABAQUS分析过程主要包括两部分，第一次冲击和循环冲击。

3.1 ABAQUS分析模型

采用Python语言对ABAQUS进行二次开发，建立二次开发程序。首先建立第一次冲击，生成第一次冲击程序；建立二次冲击，生产第二次冲击程序，对第二次冲击程序进行修改，获得循环冲击程序。程序运行流程图，如图4所示。

图4 程序运行流程图Fig.4 Program Flow Chart

循环冲击过程中，将第（i-1）次冲击分析后的ODB文件中的零件输入到第（i i＞1）次冲击模型中，为防止分析出错，删除所有零件生成的surfaces sets；复制第i-1次冲击模型的实例和材料；为新模型的零件指派截面；创建分析步并设置重启动；同第一次冲击一样，设置接触和载荷。

3.2 程序编制

在锤铆过程中，每冲击一次，铆钉形成一定尺寸的墩头，铆钉杆末端与顶把分离，因此，循环程序中在装配模块中添加顶把移动程序，使顶把始终与铆钉杆末端接触，这里通过测量第i次冲击的装配体中铆钉杆上点的坐标和顶把上点的坐标，并取其差值，来确定移动距离，具体程序如下：

建立分析任务时，由于模型单元较多，计算量较大为节省计算时间，提高计算效率，采用并行计算，ABAQUS任务管理器中有专门的选项来让用户选择采用几核进行计算[14]。采用四核进行计算。

3.3 程序运行结果

根据以上仿真分析模型，以气压p和冲锤次数i作为输入参数，进行有限元分析。根据文献[10]可知，工艺试验用到的铆枪在不同气压下获得其相对的瞬时冲击力和冲击速度，如表2所示。

表2 不同气压下铆钉瞬时冲击力和冲击速度Tab.2 Instantaneous Impact Force and Impact Speed of Rivets Under Different Air Pressures

根据航空工业标准[11]，墩头的尺寸要求，如式（2）、式（3）所示。

式中：D0—铆钉墩头直径的标准尺寸；hmin—铆钉墩头高度的最小允许值。通过计算和查找得出墩头尺寸，如式（4）所示。

采用表2所示的输入气压，对有限元模型进行分析，最终的分析数据，如表3所示。

表3 部分仿真分析结果数据Tab.3 Partial Simulation Analysis Result Data

采用表3所示的输入气压和锤铆次数，运行锤铆分析程序，获得的输入气压p=0.3、0.4、0.5、0.6MPa时，达到铆钉变形的分析云图，如图5所示。

图5 铆钉变形图Fig.5 Rivet Deformation Diagram

铆钉的应力分布比较均匀，变形相同，因此输入气压对铆接质量的影响不明显[9]，考虑到铆接效率，选择p=0.6MPa，i=29时铆接的时间最短，为1.12s，铆接的效率更高。

4 锤铆实验

4.1 双机器人锤铆实验

锤铆实验在双机器人自动铆接实验平台上进行，如图6所示。该实验平台可实现平面自动铆接功能，由两个对称形式的三自由度移动机器人组成。一台机器人的末端设置顶把，顶住铆钉杆，另一台机器人末端设置铆枪，两机器人协调工作。

图6 锤铆铆接试验平台Fig.6 Hammer Riveting Test Platform

4.2 实验结果及分析

通过调节调压阀，将铆枪输入气压调整为0.6MPa；铆枪的冲击时间为1.12s。设置顶把移动距离为2.8mm。进行实验，共锤铆10个钉。一铆钉的墩头变形图，如图7所示。

图7 铆钉墩头变形Fig.7 Rivet Upsetting Deformation

使用游标卡尺对铆钉墩头直径和高度进行测量，测得10组铆钉墩头直径平均值为6.03mm，高度平均值为1.68mm。铆钉墩头实验值相对仿真值得直径绝对误差为0.041mm，高度绝对误差为0.032mm。因此两者误差均不大，且铆接后的尺寸满足变形要求，铆接合格，验证了仿真方法的可靠性。

5 结论

根据锤铆工艺建立了ABAQUS仿真分析模型，使用Python语言对ABAQUS进行二次开发，建立锤铆仿真程序。通过对不同气压下进行仿真分析，获得分析数据，选择铆接效率更高的0.6MPa输入气压，1.12s铆接时间。基于双机器人锤铆实验平台进行锤铆实验，验证了仿真方法的可靠性。