CN114896734B

CN114896734B - 一种金属精密过盈连接方法

Info

Publication number: CN114896734B
Application number: CN202210558647.0A
Authority: CN
Inventors: 王九龙; 李树勇; 张思才; 温金鹏; 杜宏伟
Original assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Current assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2024-08-16
Anticipated expiration: 2042-05-20
Also published as: CN114896734A

Abstract

本发明公开了一种金属精密过盈连接方法，包括步骤：S1、建立金属过盈结构最小传递转矩同过盈量、过盈长度之间的约束关系；S2、建立包容件与被包容件不产生塑性变形同过盈量、过盈长度之间的约束关系；S3、建立过盈量和过盈长度的上限约束；S4、综合考虑加工、装配工艺，以传递一定载荷时的最小变形体积作为目标要求，并获得目标函数；S5、综合S1～S3的约束条件和S4中的要求，基于内点算法遍历内部可行区域来搜索满足目标函数的最优解，得到最佳过盈量和过盈长度的组合；本发明主要针对异质难互溶、且对长期腐蚀性能具有较高要求的异种金属材料，提出了有限设计空间内的金属精密过盈连接方法，可同时满足连接可靠、尺寸变形小的要求。

Description

一种金属精密过盈连接方法

技术领域

本发明涉及机械连接配合技术领域，尤其涉及一种金属精密过盈连接方法。

背景技术

在航空航天、武器装备、交通运输等工程领域，为简化结构、提高空间利用率、同时兼顾连接可靠性及经济性要求，通常会采用异种金属连接结构。

目前的金属连接技术可大体分为三类：焊接、机械连接、粘接。三种连接技术中焊接技术应用最为广泛，焊接方式包括激光钎焊、摩擦焊、扩散焊等，其连接强度高，经济性好，但是焊接质量对工艺要求高，不同焊接技术对基体材料热物性要求高；机械连接技术包括过盈连接、铆接、紧固件连接等，机械连接方式相对简单，对被连接件要求低，但是个别连接方式存在增重、受空间限制等缺点；粘接连接结构装配简单，但是连接界面均匀性对工艺要求高、长时连接可靠性存在较大不确定性。

不同的金属连接形式适用于不同的应用场景，具体方案需根据基体材料、结构、重量、空间等约束条件择优选择。当金属连接对象是异质难互溶金属材料时，这类材料焊接工艺性差，通常使用机械连接或粘接的方式实现固接。但是粘接方式受产品使用温度限制，同时胶粘剂的存在会加速界面金属间的腐蚀，进而影响产品性能。基于此，需要研发出一种金属精密过盈连接方法，可同时满足连接可靠、尺寸变形小的要求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种金属精密过盈连接方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种金属精密过盈连接方法，包括以下步骤：

S1、建立金属过盈结构最小传递转矩同过盈量、过盈长度之间的约束关系；

S2、建立包容件与被包容件不产生塑性变形同过盈量、过盈长度之间的约束关系；

S3、建立过盈量和过盈长度的上限约束；

S4、综合考虑加工、装配工艺，以传递一定载荷时的最小变形体积作为目标要求，并获得目标函数；

S5、综合S1～S3的约束条件和S4中的要求，基于内点算法遍历内部可行区域来搜索满足目标函数的最优解，得到最佳过盈量和过盈长度的组合。

进一步地，步骤S1中，最小传递转矩同过盈量、过盈长度之间的约束关系表达式为：

式中：

d_i——被包容件内径；

d_f——过盈圆柱面直径；

d_a——包容件外径；

μ——包容件与被包容件摩擦系数；

δ——过盈量；

l_f——过盈长度；

T_min——连接结构所需最小传递转矩；

E_a——包容件弹性模量；

E_i——被包容件弹性模量；

ν_a——包容件泊松比；

ν_i——被包容件泊松比。

进一步地，步骤S2中，包容件与被包容件不产生塑性变形同过盈量、过盈长度之间的约束关系表达式为：

式中：

σ_sa——包容件屈服强度；

σ_si——被包容件屈服强度。

进一步地，步骤S3中，过盈量和过盈长度的上限约束表达式为：

式中：

δ_max——允许最大过盈量；

l_fmax——允许最大过盈长度。

进一步地，步骤S4中，最小变形体积的目标要求函数表达式为：

minf(δ,l_f)＝πd_fl_fδ

本发明的有益效果在于：

本发明主要针对异质难互溶、且对长期腐蚀性能具有较高要求的异种金属材料，提出了有限设计空间内的金属精密过盈连接方法，可同时满足连接可靠、尺寸变形小的要求。

附图说明

图1为本发明实施步骤流程图。

图2为过盈参数优化迭代过程示意图。

图3为最优过盈参数组合示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，步骤1：建立钢铝材料过盈连接结构最小传递转矩同过盈量和过盈长度的约束条件，需满足使用要求的最小传递转矩假设为60N·m，其约束表达式如下式：

式中：

d_i——铝内径，取490mm；

d_f——钢铝过盈圆柱面直径，取500mm；

d_a——钢外径，取510mm；

μ——钢铝摩擦系数，取0.15；

δ——过盈量；

l_f——过盈长度；

T_min——钢铝过盈结构最小传递转矩，取60N·m；

E_a——钢弹性模量，2×105MPa；

E_i——铝弹性模量，7×104MPa；

ν_a——钢泊松比，0.26；

ν_i——铝泊松比，0.33。

步骤2：建立钢铝过盈结构不产生塑性变形同过盈量、过盈长度之间的约束关系，其表达式如下：

式中：

c——

d——

σ_sa——钢屈服强度，430MPa；

σ_si——铝合金屈服强度，386MPa。

步骤3：为改善加工和装配工艺，同时受结构特殊限制，建立过盈量和过盈长度的上限约束，表达式如下：

式中：

δ_max——允许最大过盈量，0.2mm；

l_fmax——允许最大过盈长度10mm。

步骤4：在满足设计要求前提下，综合考虑加工、装配工艺，以传递一定载荷时的最小变形体积作为设计目标，其优化模型中的目标函数如下式：

minf(δ,l_f)＝πd_fl_fδ

步骤5：综合步骤1～步骤3的约束条件和步骤4中的设计目标，基于内点算法(interior point)遍历内部可行区域来搜索满足目标函数的最优解，得到最优过盈量和过盈长度的组合。参数迭代过程如图2所示，过盈量、过盈长度与传递转矩的关系谱图如图3所示，在满足最小传递转矩前提下，其最优过盈量/过盈长度分别是0.0826mm和5.834mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种金属精密过盈连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3、建立过盈量和过盈长度的上限约束；

2.根据权利要求1所述的一种金属精密过盈连接方法，其特征在于，步骤S1中，最小传递转矩同过盈量、过盈长度之间的约束关系表达式为：

式中：

d_i——被包容件内径；

d_f——过盈圆柱面直径；

d_a——包容件外径；

μ——包容件与被包容件摩擦系数；

δ——过盈量；

l_f——过盈长度；

T_min——连接结构所需最小传递转矩；

E_a——包容件弹性模量；

E_i——被包容件弹性模量；

ν_a——包容件泊松比；

ν_i——被包容件泊松比。

3.根据权利要求2所述的一种金属精密过盈连接方法，其特征在于，步骤S2中，包容件与被包容件不产生塑性变形同过盈量、过盈长度之间的约束关系表达式为：

式中：

σ_sa——包容件屈服强度；

σ_si——被包容件屈服强度。

4.根据权利要求2所述的一种金属精密过盈连接方法，其特征在于，步骤S3中，过盈量和过盈长度的上限约束表达式为：

式中：

δ_max——允许最大过盈量；

l_fmax——允许最大过盈长度。

5.根据权利要求2所述的一种金属精密过盈连接方法，其特征在于，步骤S4中，最小变形体积的目标要求函数表达式为：

minf(δ,l_f)＝πd_fl_fδ。