單側(cè)機(jī)加凸臺與加強(qiáng)板對開孔金屬板剪切穩(wěn)定性影響對比分析

周松官

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 200232）

0 引言

帶開孔的板結(jié)構(gòu)十分常見，例如為方便檢查和維修而開的維修口，為方便系統(tǒng)管路通過而開的管路過孔，以及為觀察或人員通過而開的窗門等，這些開孔是為滿足各種功能要求所必須的，但是開孔導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在使用過程中容易產(chǎn)生裂紋，因此通常需要對開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，使開孔結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

平板開口補(bǔ)強(qiáng)形式通常根據(jù)結(jié)構(gòu)受載大小進(jìn)行選擇，一般分為2種情況：小載荷和大載荷。對小載荷情況，可使用45°翻邊孔、90°翻邊孔或卷邊孔等形式進(jìn)行增強(qiáng)；對大載荷情況，可使用口框或加強(qiáng)板等形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。本文主要對單側(cè)加強(qiáng)板和單側(cè)機(jī)加凸臺補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行分析，得到這兩種補(bǔ)強(qiáng)方式效果的差異。

1 計算模型

1.1 建立基本模型

開孔板尺寸為400mm×400mm×5mm，開孔直徑126mm，機(jī)加凸臺和加強(qiáng)板寬度為53mm，厚度5mm。通過軟件Patran，開孔板和加強(qiáng)板使用shell單元，緊固件使用Fastener單元，分別建立未加強(qiáng)開孔板、單側(cè)機(jī)加凸臺補(bǔ)強(qiáng)開孔板、單側(cè)加強(qiáng)板（單倍螺栓）補(bǔ)強(qiáng)開孔板和單側(cè)加強(qiáng)板（雙倍螺栓）補(bǔ)強(qiáng)開孔板有限元模型，為方便查看各模型的差異，將Shell單元顯示成3D模式，具體模型如圖1～圖4所示。

圖1 未加強(qiáng)開孔板模型

圖3 單側(cè)加強(qiáng)板（單倍螺栓）開孔板模型

圖2 單側(cè)機(jī)加凸臺開孔板模型

圖4 單側(cè)加強(qiáng)板（雙倍螺栓）開孔板模型

1.2 材料屬性

材料基本性能參數(shù)見表1。

表1 材料基本性能參數(shù)

1.3 位移約束和載荷

開孔板4邊限制面外位移，固定一角節(jié)點，同時限制其附近對角線上一節(jié)點面內(nèi)位移（目的是避免計算時出現(xiàn)約束不足）。開孔板4邊加剪切載荷。位移約束和載荷情況見圖5。

圖5 單側(cè)加強(qiáng)板（雙倍螺栓）開孔板模型

2 計算結(jié)果和分析

通過有限元軟件Nastran計算，得到4種模型的1階線性屈曲模態(tài)見圖6～圖9，同時得到各模型發(fā)生屈曲失穩(wěn)時的載荷系數(shù)（即特征值）及對比結(jié)果見表2。

圖6 未補(bǔ)強(qiáng)開孔板屈曲模態(tài)

圖7 機(jī)加凸臺補(bǔ)強(qiáng)開孔板屈曲模態(tài)

圖8 加強(qiáng)板（單倍螺栓）補(bǔ)強(qiáng)開孔板屈曲模態(tài)

表2 屈曲失穩(wěn)載荷匯總

屈曲模態(tài)圖表明孔邊加強(qiáng)使結(jié)構(gòu)變形向孔邊集中，即孔邊加強(qiáng)部分承擔(dān)了更多載荷。表2數(shù)據(jù)表明：含機(jī)加凸臺的結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切失穩(wěn)時的載荷系數(shù)最大，補(bǔ)強(qiáng)比明顯高于補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)；有雙倍緊固件加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，其發(fā)生剪切失穩(wěn)時的載荷系數(shù)和補(bǔ)強(qiáng)比都稍高于單倍螺栓加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文通過有限元軟件Patran和Nastran分析單側(cè)機(jī)加凸臺和單側(cè)加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)對開孔金屬板的剪切穩(wěn)定性影響，得到以下結(jié)論。（1）單側(cè)機(jī)加凸臺對開孔板剪切穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果優(yōu)于加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)。（2）連接開孔板和加強(qiáng)板的緊固件數(shù)量越多，對開孔板剪切穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果越好。

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