基于Abaqus的預(yù)緊力對航空器用螺栓強(qiáng)度影響的有限元分析＊

張寧，郭辛，程思晗

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基于Abaqus的預(yù)緊力對航空器用螺栓強(qiáng)度影響的有限元分析＊

張寧，郭辛，程思晗

（中國民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300）

為了探究不同預(yù)緊力大小對螺栓緊固件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命的影響規(guī)律，基于Abaqus仿真平臺，建立螺栓組件的有限元模型，開展不同預(yù)緊力的螺栓強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，對于受剪螺栓，隨著螺栓預(yù)緊力的增大，被連接件孔邊Mises等效應(yīng)力也呈線性增大，孔邊平均摩擦接觸應(yīng)力不斷變小，而孔邊平均壓應(yīng)力水平不斷變大。

有限元分析；螺栓；預(yù)緊力；切向載荷

螺栓連接在飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接中占有重要地位，螺栓雖構(gòu)造簡單，但受力機(jī)理復(fù)雜。建立合理的航空器用螺栓計算模型，分析螺栓部件的受力及破壞方式，不僅對航空器的飛行安全有積極意義，還對制訂航空器檢修策略具有指導(dǎo)意義。

1 部件模型

螺栓組件由螺栓、螺母、基體與構(gòu)件組成。螺栓預(yù)緊力形成構(gòu)件與基體間的夾緊力，這里的夾緊力為摩擦力的正壓力。在有限元模型中，省略螺母，忽略螺紋的影響，建立如圖1所示的螺栓有限元模型。

圖1 螺栓組件的CAD建模情況

其中，構(gòu)件厚度設(shè)為2 mm，螺栓孔的直徑設(shè)為14.1 mm；基體模型采用14 mm×30 mm×40 mm。根據(jù)疲勞試驗(yàn)試樣，螺栓、基體和構(gòu)件材料的屬性如表1下所示。

表1 螺栓、基體和構(gòu)件材料的屬性

材料屬性材料彈性模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa 螺栓2100.31 280940 基體、構(gòu)件1900.31 280940

2 有限元計算

選用拉格朗日乘子法作為接觸計算方法[6-7]，將螺栓頭部與構(gòu)件接觸面和構(gòu)件與基體接觸面定義為摩擦系數(shù)為0.29的小滑移切向摩擦接觸。在構(gòu)件伸出端平面定義了大小為110 MPa的表面載荷，即切向載荷。有效螺栓預(yù)緊力范圍在40～80 kN之間[1-2]，分別考慮40 kN、45 kN、50 kN、55 kN、60 kN、65 kN、70 kN、75 kN、80 kN 9種工況下的應(yīng)力情況。約束基體伸出端平面全部6個自由度，完全固定。網(wǎng)格劃分時，采用C3D8R八節(jié)點(diǎn)線性六面體縮減積分單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均采用中性軸算法，采用掃掠的方法自動劃分網(wǎng)格。

3 結(jié)果分析

3.1 不同預(yù)緊力情況下孔邊的應(yīng)力分析

隨著裝配預(yù)緊力的不斷線性增加，最大Mises應(yīng)力、平均Mises應(yīng)力均呈線性增加，隨著預(yù)緊力的增加，孔邊最大應(yīng)力從1 153 MPa增加到2 285 MPa，且預(yù)緊力施加對孔邊應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，造成孔邊較大的應(yīng)力集中，如圖2所示。由于施加螺栓預(yù)緊力的影響，最大應(yīng)力出現(xiàn)在構(gòu)件孔邊，如圖3所示；沿著切向方向，從孔邊至構(gòu)件邊緣，隨著距離的增大，應(yīng)力不斷變小，在距離一段后，應(yīng)力下降緩慢。由此可以看出，較大的螺栓預(yù)緊力使螺栓孔附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

圖2 不同預(yù)緊力下，孔邊最大Mises應(yīng)力和平均Mises應(yīng)力情況

圖3 Mises應(yīng)力隨距離的變化

注：Up side max CShear指上孔邊最大接觸應(yīng)力；Down side max CShear指上孔邊最大接觸應(yīng)力；Up side mean CShear指上孔邊平均接觸應(yīng)力；Down side mean CShear指下孔邊平均接觸應(yīng)力。

3.2 不同預(yù)緊力下接觸應(yīng)力分析

圖4為不同預(yù)緊力下構(gòu)件接觸應(yīng)力情況。

這里接觸應(yīng)力為切向載荷方向的接觸應(yīng)力（CShear1），指定切向載荷方向?yàn)檎较?。在施加預(yù)緊力的情況下，上孔邊（與螺栓頭部接觸的構(gòu)件面）的最大接觸應(yīng)力與平均接觸應(yīng)力方向均與切向載荷方向一致，且最大接觸應(yīng)力隨著螺栓裝配預(yù)緊力的不斷線性增大而增大，上孔邊最大接觸應(yīng)力也不斷線性增大；而上孔邊的平均接觸應(yīng)力隨著螺栓裝配預(yù)緊力的線性增大而呈線性減小。下孔邊（與基體表面接觸的構(gòu)件面）的最大接觸應(yīng)力與平均接觸應(yīng)力方向均與切向載荷方向相反，且最大接觸應(yīng)力大小隨著螺栓裝配預(yù)緊力的不斷線性增加而線性變大，平均接觸應(yīng)力大小隨著螺栓裝配預(yù)緊力的不斷線性增大而線性下降[4-5]。

4 結(jié)論

本文首先介紹了螺栓緊固件有限元模型的建立，根據(jù)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡化建模，在Abaqus有限元分析軟件中計算出應(yīng)力、應(yīng)變情況。經(jīng)分析，得到如下結(jié)論：①在110 MPa切向載荷一定的情況下，隨著螺栓預(yù)緊力的不斷線性變大，構(gòu)件孔邊最大等效應(yīng)力（Mises應(yīng)力）不斷線性變大；但螺栓預(yù)緊力僅在孔邊附近產(chǎn)生較大的影響，對于遠(yuǎn)離螺栓孔邊區(qū)域，應(yīng)力值并沒有發(fā)生較大變化。②隨著螺栓預(yù)緊力的不斷線性增大，上孔邊的最大接觸應(yīng)力大小、下孔邊的最大接觸應(yīng)力大小均不斷線性增大，但上下孔邊平均接觸應(yīng)力大小均不斷線性下降，說明隨著預(yù)緊力的不斷變大，螺栓緊固件受外載荷的影響不斷減小。

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中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目（編號：3122014H002）

2095－6835（2018）18－0030－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.030

〔編輯：劉曉芳〕