金屬結構緊固件孔短邊距對孔邊應力影響研究

翟斌 鄒建勝 楊子偉 吳鐵鋒

【摘 要】對于緊固件連接結構，短邊距是常見制造偏離。為了更準確評估短邊距情況下結構強度特性，本文基于常見結構，通過數(shù)值模擬研究了短邊距情況下孔邊應力變化規(guī)律，對比了數(shù)值仿真結果與工程評估方法差異，為短邊距情況強度快速定量評估提供了理論指導。

【關鍵詞】短邊距；制造偏離；有限元分析

中圖分類號： V262.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0072-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.031

【Abstract】For fastener connection structures， short edge distances are common manufacturing deviations. In order to evaluate accurately the structural stress under short edge distances， numerical simulation is carried out to study the stress at the edge of fastener hole based on the common structure. The difference between numerical simulation results and engineering evaluation methods is compared. The paper could provide theoretical knowledge for rapid assessment of structural stress under short edge distance.

【Key words】Short edge distance；Manufacturing deviation；FEM

0 前言

短邊距制造偏離一般指緊固件的邊距小于兩倍孔徑或小于圖紙要求的情況，發(fā)生原因有很多種，如制孔位置錯誤，緊固件孔徑偏離，裝配公差累積及零件邊緣損傷等，是結構裝配過程中經(jīng)常面臨的問題。短邊距可能會導致結構剪切破壞或拉伸破壞，并且會增加應力集中，導致疲勞性能下降，甚至會影響損傷容限性能[1-2]。

短邊距偏離處置時，首先應進行受力分析，判斷結構受載方向與短邊距相關邊緣方向的關系。然后通過經(jīng)驗公式偏保守地計算出結構的剪切破壞承載能力和拉伸破壞承載能力，據(jù)此可判斷結構是否會發(fā)生剪切破壞或是拉伸破壞。同時，還應考慮短邊距偏離是否位于疲勞或損傷容限細節(jié)危險部位，評估其對結構疲勞強度和損傷容限性能的影響。最后綜合評估短邊距處置方案是否引會起其它偏離，是否會對零組件的正常定位、裝配產(chǎn)生后續(xù)影響。短邊距通常分為兩類，即受載方向與短邊距相關邊緣方向垂直的狀態(tài)和受載方向與短邊距相關邊緣方向平行的狀態(tài)，如圖1所示。

1 幾何模型

相同短邊距情況下，受載方向與短邊距相關邊緣方向垂直的狀態(tài)結構承載能力要弱于載方向與短邊距相關邊緣方向平行的狀態(tài)情況。本文選取拉伸情況下單剪結構不同短邊距程度對結構應力分布影響規(guī)律，幾何模型如圖2所示。

根據(jù)幾何示意圖2，考慮到模型的對稱性建立有限元模型如圖3（a）所示，網(wǎng)格劃分如圖3（b），采用C3D8R進行計算分析。模型主要參數(shù)如下：基體材料2024-T3，板厚1.6mm，高鎖緊固件（HST10AG5）干涉量1%[3]，緊固件邊距依次為1D、1.25D、1.5D、2D。

具體分析過程（緊固件為鈦高鎖）如下：

（1）給模型施加一個很小的螺栓預緊力，同時定義一個臨時邊界條件（施加很小的荷載），使模型平穩(wěn)地建立接觸關系。

（2）移除臨時邊界條件，把螺栓預緊力的值改為需要設置的值。

（3）移除臨時邊界條件，把上一分析步中的螺栓預緊力改為保持當前螺栓長度，計算螺栓干涉。

（4）保持螺栓載荷為固定當前螺栓長度，施加實際荷載，使模型在實際工況下工作。若緊固件為鋁鉚釘（不考慮螺栓預緊力），則在上述分析過程中去掉第一個和第二個分析步。

2 結果分析

圖4（a）和（b）則分別為上層板TL和下層板BL（Bottom Layer）的應力S11加載后應力云圖，取下層板進行分析。

為了更準確地反映不同短邊距對孔邊應力的影響，在五種不同短邊距模型的BL上定義了一條沿最小橫截面的直線，同樣因為模型的對稱性，所以取兩段直線分別是AB和CD（A、D分別表示的是模型中的孔邊位置），如圖5所示。最小路徑上輸出應力S11的變化趨勢如圖6（a）、圖6（b）所示。

3 結論

短邊距方向與載荷方向垂直情況下，工程評估方法根據(jù)圖7的受力分析[4-5]，與緊固件相應的結構拉伸破壞承載能力FT=σTU×2C×t，其中σTU為結構材料的極限拉伸強度，t為材料厚度，C為釘孔凈邊距。

將FT與緊固件的剪斷許用值FA進行比較，若FT≥FA，則結構不會發(fā)生拉斷破壞，否則應分析出緊固件實際承受的載荷以確定邊距是否滿足靜強度要求。緊固件孔邊距從2D變?yōu)?D時，結構承載能力FT減（下轉第80頁）（上接第73頁）小66.7%，從圖6（a）可以看出，隨著邊距的增大，上排緊固件孔邊A和自由邊界處B的應力S11隨之下降，最大分別為70%和23.4%，A、B處應力水平變化比率不一致是由于材料未完全進入塑性，而A處應力水平變化與工程評估方法相當，模型結果可解釋當前工程評估方法。從圖6（b）可以得知，短邊距的變化對中間排緊固件孔C的應力S11基本沒有影響，這可以用圣維南原理來解釋，上排緊固件孔處D的應力S11隨著短邊距的增大而減小，最大減小了67.6%。綜上，結構的應力S11分布與短邊距的變化成反比。

【參考文獻】

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