飞机结构紧固件柔度系数数值模拟研究

作者:张江; 刊名:科技视界 上传者:汪艳龙

【摘要】紧固件载荷变形关系曲线(P~δ曲线)是计算结构连接部位细节疲劳寿命不可或缺的原始参数.试验测量只能得到有限的紧固件载荷变形关系曲线,本文利用ABAQUS有限元软件建立单剪结构连接件的三维模型,计算紧固件载荷变形关系曲线,从而得出紧固件柔度系数,利用实测值对模型计算结果进行了验证,并研究了紧固件柔度系数的影响因素.

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0引言飞机上紧固件的使用量非常大,为计算紧固件连接结构的疲劳寿命,无论是采用应力严重系数法还是应力应变法,都须对重要连接部位进行有限元细节分析,故应提供紧固件刚度方阵的刚度系数或柔度系数,紧固件载荷变形关系曲线(P~曲线)就成为不可缺少的原始参数。采用经验公式算出的紧固件柔度系数为常量,得不到紧固件进入塑性阶段的柔度系数值。采用试验测量[1]只能得到有限的紧固件载荷变形关系曲线,并且成本过高。本文以螺栓为例,利用ABAQUS有限元软件进行结构连接件的数值模拟,计算单剪连接件螺栓的柔度系数。1单、双剪连接件有限元模型参照国军标[2]中紧固件柔度系数测量的试样形式,利用ABAQUS/CAE建立的单剪连接件模型如图1和图2所示。由于测试用连接件外形和受力具有对称性,故沿对称面截取连接件的一侧建立有限元模型,便可模拟整个连接件的真实情况,并且可以节省模型计算时间。模型选用三维实体单元,考虑到结构模型网格较为扭曲,单元类型选为C3D8R。在应力集中部位,如孔、螺栓等部位网格划分较密,板的其他部位网格较疏,疏密平滑过渡。图1单剪连接件模型在定义接触相互作用时,本模型选择了默认的更为普遍的有限滑移公式,定义接触对必须考虑从属表面和主控表面。本模型的板与紧固件网格密度相近,而板的刚度比紧固件小,因而选择板上的接触面为从属面,紧固件上的接触面为主控面。根据以往的经验和文献中关于摩擦力对紧固件柔度系数的影响可知,摩擦力仅对载荷较小时紧固件的变形曲线影响较大,本文暂不考虑摩擦力对本模型的影响。本文连接件模型选择一端固定,另一端设置均布载荷的加载方式。设置分析步,使载荷从0增加到预设载荷,记录每个增量步标距点的位移,便可记录得出紧固件的载荷位移曲线,根据曲线,消除板变形位移的影响,便可计算出紧固件的柔度系数。2连接件模型的计算单剪螺栓连接件模型采用的是6的30CrMnSiA螺栓,4mm的LC4-CS上板,4.5mm的LY12-CZ下板。30CrMnSiA的刚度为203GPa,LC4-CS的刚度为:73Gpa,LY12-CZ的刚度为:68Gpa。上述各种材料的塑性性能见表1。200Mpa载荷作用下的应力云图和加载全过程载荷位移曲线如图2和图3所示。由曲线可计算出紧固件弹性段刚度为:3636kg/mm,即柔度系数:mm/kg,与文献[3]中实测数据紧固件弹性段刚度3500kg/mm作比较可知,计算结果同实测值相差在5%以内,模型计算结果准确。紧固件的塑性变形相比板的塑性变形非常小,因而连接件的载荷位移曲线中的屈服点主要由板的塑性变形决定。表1单剪螺栓连接件模型材料塑性性能图2单剪模型应力云图图3单剪模型计算结果3紧固件柔度系数影响因素根据以往的研究表明,紧固件柔度系数的影响因素主要有:紧固件的类型、材料,连接板的厚度、材料,钉孔配合公差,以及紧固件安装预紧力和摩擦系数等。考虑到紧固件P~曲线试验测量中,常会消除钉孔间隙和摩擦力对结果的影响,故本文仅研究紧固件的材料、连接板厚度和材料对紧固件柔度系数的影响,影响因素研究计算单剪模型参数如表2所示。从图4中可以看出,对于单剪连接紧固件,连接板厚度对紧固件柔度系数的影响比较大,连接板的厚度越大,紧固件柔度系数越小。当板的刚度相差不大时,板材的因数没有影响到连接件紧固件弹性段柔塑性应变对应的应力00.0020.0150.0530CrMnSiA895Mpa1105Mpa1128Mpa1165MpaLC4-CS461Mpa571Mpa581Mpa605MpaLY12-CZ241Mpa289Mpa331Mpa402Mpa 度系数,或者说板

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