摘要：采用螺栓连接、实心铆钉铆接两种连接方式对钢板进行连接试验。对实心铆钉铆接进行了有限元数值模拟，得 出合理的铆钉卨度。对螺栓连接件与实心铆钉铆接件进行板料搭接及对接结构拉伸强度测试，结果表明：螺栓连接件 的抗剪强度略大于实心铆钉铆接件的抗剪强度，螺栓连接件的抗剥离强度明显大于实心铆钉柳接件
国内外有不少学者都对铆接及螺栓连接的结构 性能进行了研究：黄志超[1.2]介绍了各种连接技术的 工作原理及优、缺点，采用Def0rm-2D有限元分析 软件对实心铆钉自冲铆接工艺过程进行数值模拟， 分析了铆接成形过程中板料断裂损伤的分布以及发 展趋势；冯晓旻等[3]利用有限元分析方法研究了铆 钉和铆接件在压铆过程中的受力和变形情况；刘平 等[4」提出将压铆过程划分为5个阶段，分析每个阶 段的金属流动方向和受力情况；王贤宙等㈨基于3 种典型铆接结构形式，提出了复杂工程分析问题中 存在大量铆接装配关系时的有限元建模方法；美国 托莱多大学的Li 8等[6」针对不同厚度板料的波普铆 钉和半空心铆钉对接件疲劳性能进行了对比试验研 究；郁大照、尹益辉等[7%利用有限元数值模拟方法 模拟了螺接搭接件的载荷传递特性，计算分析了普 通三角形螺纹螺栓-螺母副在轴向力作用下的内力、 应力和变形规律；黎永钧[9]、钟国辉Ll°]对几种高强
度螺栓进行静拉伸试验，测定其螺纹断裂强度和断 面收缩率，对静拉伸载荷下的断裂过程、方式和特 征进行宏观和微观观测分析，并对一系列螺栓连接 的冷成形钢结构的结构性能进行了试验和理论研究， 为冷成形钢结构性能设计提供了分析和设计方法。 Sanat Wagle等[11]利用超声检测技术对螺栓连接招 合金板料的微动疲劳损伤进行了研究。
本文主要通过试验方法对实心铆钉与螺栓单搭 接件及单对接件进行了研究，将实心铆钉铆接与螺 栓连接件连接强度进行了对比。
1连接试验
1.1铆钉高度的选择
实心铆钉铆接是常用的装配工艺之一。它的费 用要比用螺纹紧固件连接经济得多，装配效率高， 而且很适于自动化。在铆接过程中，铆钉高度与孔 径、板厚要有良好的匹配关系，厚板料可能会使长 铆钉产生弯曲，铆钉杆部太长也会产生弯折或弯曲， 致使头部变形偏移，可能损坏铆钉。另一方面，如 果铆钉杆部太短，则头部成形不完整或者损坏板料。 但是对于金属板零件，杆径与板料的厚度有关，铆 钉直径太大，头部成形困难，铆钉直径太小，可能
弯曲，根据铆接工艺要求，铆钉镦头最终应成鼓形, 喇叭形和马蹄形都不符合要求。
鉴于实心铆钉高度选择对连接件性能的影响， 采用Deform-2D有限元软件分别对直径为6 mm, 铆钉髙度为8, 10和12 mm的3种铆钉铆接成形过 程进行有限元数值模拟，通过数值模拟得出试验所 需的最佳铆钉高度。因模型轴对称，所以本模型仅 模拟对称中心一侧的成形过程。
铆钉材料在冲头挤压下形成镦头时，冲头及凹 模的变形相对于铆钉来说是非常小的，因此，冲头 和凹模在模拟过程中均视为刚体，铆钉和板料设为 塑性体。采用模具行程控制方式，模拟步长定义为 0.1 mm,冲头下压速度设为5 mm * s_1, 3种高度铆 钉最终均形成2 mm高的镦头。利用直接迭代法对模 型进行求解，得到3种铆钉最终成形如图1所示。
分别取3次试验中较接近平均值的曲线进行分 析，实心铆钉、螺栓搭接件试验（剪切试验）的载 荷-行程曲线如图3所示。
可以看出：压翎]过程中铆钉变形很大，当铆钉高 度A=8mm时，镦头直径过小，这将对铆接品质造 成影响；当铆钉髙度10和12 mm时，铆钉镦头 均成鼓形，铆接效果较好。但由于在铆钉根部存在应 力集中，在成形过程中会出现折叠现象，并且铆钉高 度愈髙，折叠现象愈严重，综合考虑，本文选用高度 为10 mm的铆钉进行试验。
1.2试验件
试验件为厚度2 mm的ST12冷轧钢板制作的搭接 件及对接件，搭接和对接布置形式及几何尺寸如图2 所示，搭接量为50 mm,板料预制孔均为直径6 mm通 孔，螺检和铆钉材料均为SUS201,直径均为6 mm。
2强度试验分析
通过单向拉伸试验来测量实心铆钉铆接和螺栓 连接的强度。单向拉伸试验在SHIMADZU微机控 制电子万能试验机上进行，试验机夹头运动速度为 1 mm • min-1。首先，将板料按图2所示尺寸钻孔， 将对接件试验所需的板料按图示尺寸进行90°折弯，
图3铆钉、螺栓搭接件载荷-行程曲线 Fig. 3 Load-stroke curves of lap shear joints
可以看出，螺栓连接件的抗剪强度要略大于实 心铆钉的抗剪强度。在试验起始阶段，实心铆钉连 接的载荷与位移近似成比例关系，此阶段可看作是 材料的弹性变形阶段，此曲线的斜率近似于材料的 弹性模量。而螺栓螺纹与预制孔之间为间隙配合， 在螺栓螺纹拉伸初始阶段由于间隙的作用而出现一 小段稍平坦的曲线，而后迅速上升。实心铆钉弹性 变形阶段曲线的斜率比螺栓的要大，这主要是由于 实心铆钉在铆接过程中被镦粗，与铆钉孔有充分的
