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user: 3. 有限元模拟结果分析 密封电磁铆接的主要工艺参数有：划窝形式、底孔直径、镦头形式和放电电压。仿真将从四个工艺参数着手，分析密封电磁铆接不同工艺参数下的干涉量。 图4. 铆接试件图 图5. 仿真与试验干涉量对比图 3.1. 不同划窝形式密封电磁铆接数值模拟结果 设计不同划窝形式(不划窝、单划窝和双划窝)，保持其他工艺参数不变，对接头的干涉量进行了对比 [ 5 ] [ 6 ]。为了方便对比，对于直径4 mm的铆钉，放电电压统一选择525 V，板料孔径统一选择4.09 mm (H8)；对于直径5 mm的铆钉，放电电压统一选择625 V，板料孔径统一选择5.09 mm (H8)。图6和图7分别是铆钉直径4 mm和5 mm的不同划窝形式电磁铆接接头最终的效应变云图。从图都可以清楚地看到接头中各个部件的等效应变分布，其中铆钉镦头处和上板孔附近塑性变形最为明显。另外，无论是对于直径4 mm还是直径5 mm铆钉，无划窝接头的最大等效应变要大于带划窝接头，双划窝接头的最大等效应变要大于单划窝接头。说明带划窝板料可以有效减缓镦头的剪切变形，从而抑制绝热剪切带的产生，其中单划窝形式具有更好的效果。 图6. 铆钉直径4 mm的不同划窝形式电磁铆接接头的等效应变云图 图7. 铆钉直径5 mm的不同划窝形式电磁铆接接头的等效应变云图 图8是不同划窝形式电磁铆接接头干涉量对比曲线图。无论直径4 mm还是5 mm的铆钉，从图中可以看到铆钉变形后钉杆的各个位置的相对干涉量分布不均匀，靠近镦头位置(位置1)的干涉量明显高于钉杆中间位置(位置2和3)和钉杆底端(位置4)，而中间位置(位置2和3)的干涉量相差不多。可以说明相对干涉量从镦头一侧向钉杆底端呈递减趋势变化。另外，三种不同划窝形式之间，双划窝形式接头的干涉量均要大于单划窝和无划窝形式接头，单划窝接头干涉量要略高于无划窝接头。以直径4 mm的铆钉为例，双划窝形式的最大干涉量达到了2.18% (位置1)，远远高于单划窝形式(1.935%)和无划窝形式(1.895%)。另外，从曲线图也可以看到三种类型接头的干涉量变化趋势一致。具体的干涉量和镦头尺寸值如表2所示。 3.2. 不同底孔直径密封电磁铆接数值模拟结果 设计不同孔底直径(H8、H9和H10)，保持其他工艺参数不变，对接头的干涉量进行了对比。为了方便对比，对于直径4 mm的铆钉，放电电压统一选择525 V，划窝形式选择无划窝；对于直径5 mm的铆钉，放电电压统一选择625 V，划窝形式选择无划窝。图9和图10分别是铆钉直径4 mm和5 mm的不同划窝形式电磁铆接接头最终的效应变云图。从图中都可以清楚地看到不同孔底直径的铆接接头中各个部件的等效应变分布。其中，无论孔底直径H8，H9还是H10，铆钉镦头处和上板孔附近塑性变形最为明显，尤其是镦头内剪切变形均非常明显。另外，在上板孔边发生有较大塑性应变，容易导致应力集中现象产生，说明该位置是整个接头较为薄弱的区域。 图8. 不同划窝形式电磁铆接接头的干涉量对比 Table 2 Interference amount and upsetting head size of electromagnetic riveting joint with different notch pit 划窝形式 无划窝 单划窝 双划窝 铆钉4 mm 铆钉5 mm 铆钉4 mm 铆钉5 mm 铆钉4 mm 铆钉5 mm 镦头直径 6.18 mm 7.64 mm 5.916 mm 7.18 mm 5.73 mm 7.12 mm 镦头高度 2.00 mm 2.23 mm 1.83 mm 1.95 mm 1.80 mm 1.90 mm 位置1 1.895% 1.6% 1.935% 1.816% 2.18% 2.028% 位置2 0.3% 0.348% 0.325% 0.485% 0.38% 0.57% 位置3 0.3% 0.26% 0.325% 0.385% 0.38% 0.555% 位置4 0% 0% 0% 0% 0% 0% 表2. 不同划窝形式电磁铆接接头的干涉量与镦头尺寸 图9. 铆钉直径4 mm的不同孔底直径电磁铆接接头的等效应变云图 图10. 铆钉直径5 mm的不同孔底直径电磁铆接接头的等效应变云图 图11是不同孔底直径的电磁铆接接头干涉量对比曲线图。同样的，可以看到是无论直径4 mm还是5 mm的铆钉，铆钉变形后钉杆的各个位置的相对干涉量分布不均匀，靠近镦头位置(位置1)的干涉量明显高于钉杆中间位置(位置2和3)和钉杆底端(位置4)，而中间位置(位置2和3)的干涉量相差不多，靠近半圆头位置干涉量已经将近趋于0。说明相对干涉量从镦头一侧向钉杆底端呈递减趋势变化。另外，三种不同孔底直径之间的接头干涉量趋势几乎一致，并且具体数值也相近。总的来看，接头位置1处的干涉量随着孔底直径的增加略微减小。不同孔底直径之间，位置2-4处的干涉量值非常相近。具体的干涉量和镦头尺寸值如表3所示。 图11. 不同孔底直径电磁铆接接头的干涉量对比 3.3. 不同镦头密封电磁铆接数值模拟结果 计不同镦头形式(鼓形和凸台形镦头)，保持其他工艺参数不变，对接头的干涉量进行了对比。为了方便对比，对于直径4 mm的铆钉，放电电压统一选择525 V，板料孔径统一选择4.09 mm (H8)，划窝形式选择无划窝；对于直径5 mm的铆钉，放电电压统一选择625 V，板料孔径统一选择5.09 mm (H8)，划窝形式选择无划窝。图12和图13分别是铆钉直径4 mm和5 mm的不同镦头形式电磁铆接接头最终的效应变云图。从图中都可以清楚地看到常规鼓形和凸台形镦头的铆接接头中各个部件的等效应变分布。可以看到凸台形镦头的等效塑性应变要高于鼓形镦头，尤其是凸台形镦头的正中间和下部与其他区域相比发生了更大的塑性变形。如果变形过于剧烈，非常容易导致镦头内部产生微裂纹。 Table 3 Interference amount and upsetting head size of electromagnetic riveting joint with different bottom hole diameter 孔底直径 孔底直径H8 孔底直径H9 孔底直径H10 铆钉4 mm 铆钉5 mm 铆钉4 mm 铆钉5 mm 铆钉4 mm 铆钉5 mm 镦头直径 6.18 mm 7.64 mm 6.16 mm 7.56 mm 6.14 mm 7.54 mm 镦头高度 2.00 mm 2.23 mm 1.95 mm 2.22 mm 1.93 mm 2.18 mm 位置1 1.895% 1.6% 1.8% 1.4% 1.5% 1.4% 位置2 0.3% 0.348% 0.285% 0.332% 0.25% 0.32% 位置3 0.3% 0.26% 0.285% 0.228% 0.25% 0.24% 位置4 0% 0% 0% 0% 0% 0% 表3. 不同孔底直径电磁铆接接头的干涉量与镦头尺寸 图12. 铆钉直径4 mm的不同镦头形式电磁铆接接头的等效应变云图 图13. 铆钉直径5 mm的不同镦头形式电磁铆接接头的等效应变云图 图14是不同镦头形式的电磁铆接接头干涉量对比曲线图。同样的，可以看到是无论直径4 mm还是5 mm的铆钉，铆钉变形后钉杆的各个位置的相对干涉量分布不均匀，靠近镦头位置(位置1)的干涉量明显高于钉杆中间位置(位置2和3)和钉杆底端(位置4)，而中间位置(位置2和3)的干涉量相差不多，靠近半圆头位置干涉量已经将近趋于0。说明相对干涉量从镦头一侧向钉杆底端呈递减趋势变化。另外，在位置1处，可以看到凸台形镦头的干涉量远远高于常规鼓形镦头，而在位置2-4处，两种镦头形式接头的干涉量值相差不大。具体的干涉量和镦头尺寸值如表4所示，可以看到无论镦头的直径还是高度均满足要求。 图14. 不同镦头形式电磁铆接接头的干涉量对比 Table 4 Interference amount and upsetting head size of electromagnetic riveting joint with different upsetting head for 镦头形式 鼓形镦头 凸台形镦头 铆钉4 mm 铆钉5 mm 铆钉4 mm 铆钉5 mm 镦头直径 6.18 mm 7.64 mm 6.24 mm 7.62 mm 镦头高度 2.00 mm 2.23 mm 2.7 mm 3.15 mm 位置1 1.895% 1.6% 3.1% 3.12% 位置2 0.3% 0.348% 0.205% 0.396% 位置3 0.3% 0.26% 0.1% 0.192% 位置4 0% 0% 0% 0% 表4. 不同镦头形式电磁铆接接头的干涉量与镦头尺寸 3.4. 不同电压电磁铆接数值模拟结果 设计一系列放电电压(直径4 mm铆钉的425 V，450 V，475 V，500 V，525 V，550 V，600 V和650 V；直径5 mm铆钉的500 V，525 V，550 V，575 V，600 V，625 V，700 V和760 V)，保持其他工艺参数不变，对接头的干涉量进行了对比。为了方便对比，对于直径4 mm的铆钉，板料孔径统一选择4.09 mm (H8)，划窝形式选择无划窝；对于直径5 mm的铆钉，板料孔径统一选择5.09 mm (H8)，划窝形式选择无划窝。图15和图16分别是铆钉直径4 mm和5 mm的不同放电电压下电磁铆接接头最终的效应变云图。从图中都可以清楚地看到不同放电电压下铆接接头中各个部件的等效应变分布。可以看到塑性变形基本都发生在镦头的中心和对角线位置，并且随着放电电压的增加，镦头的塑性变形越来越严重。对于直径4 mm的铆钉，当放电电压在525 V时，镦头的直径和高度均满足要求；当放电电压低于525 V时，铆接力不足，镦头不达标；当放电电压高于525 V时，镦头内发生了剧烈塑性变形，容易导致裂纹的产生，并且镦头高度过小，直径过大，均不满足铆接通用技术要求(QJ-782A-2005)。对于直径5 mm的铆钉，当放电电压在625 V时，镦头的直径和高度均满足要求；当放电电压低于625 V时，铆接力不足，镦头不达标；当放电电压高于700 V时，镦头直径过大，不符合铆接通用技术要求(QJ-782A-2005)。因此，在上面对比研究中，直径4 mm铆钉的放电统一都选择525 V，直径5 mm铆钉的放电电压统一都选择625 V。 图15. 铆钉直径4 mm的不同放电电压的电磁铆接接头的等效应变云图 图16. 铆钉直径5 mm的不同放电电压的电磁铆接接头的等效应变云图 图17是不同镦头形式的电磁铆接接头干涉量对比曲线图。同样的，可以看到是无论直径4 mm还是5 mm的铆钉，钉杆各个位置的干涉量都是沿着镦头处向半圆头处递减，位置1处的干涉量要远远高于其他位置。另外，整体的干涉量都是随着放电电压的增加而增加，尤其是位置1处的干涉量的变化非常明显，位置2-4处的干涉量变化幅度不大。具体的干涉量和镦头尺寸值如表5和表6所示。