飛機結構緊固件柔度系數數值模擬研究

張江

【摘 要】緊固件載荷變形關系曲線（P～δ曲線）是計算結構連接部位細節疲勞壽命不可或缺的原始參數。試驗測量只能得到有限的緊固件載荷變形關系曲線，本文利用ABAQUS有限元軟件建立單剪結構連接件的三維模型，計算緊固件載荷變形關系曲線，從而得出緊固件柔度系數，利用實測值對模型計算結果進行了驗證，并研究了緊固件柔度系數的影響因素。

【關鍵詞】緊固件；柔度系數；數值模擬

【Abstract】To calculate the fatigue life of the structure of connections， fastener load deformation curve （P～δ curve） has become the indispensable original parameters. Test measurements can only get a limited number of fastener load deformation curve. Three-dimensional finite element models were developed for numerical simulation of the single shear fastener structural connections by the ABAQUS finite element software. The flexibility of fastener was calculated by the fastener load deformation curve， which was calculated by the model. The result was proved by the measurement data. The impact factors of fastener flexibility were developed by using the model.

【Key words】Fasteners； Flexibility； Numerical simulation

0 引言

飛機上緊固件的使用量非常大，為計算緊固件連接結構的疲勞壽命，無論是采用應力嚴重系數法還是應力應變法，都須對重要連接部位進行有限元細節分析，故應提供緊固件剛度方陣的剛度系數或柔度系數，緊固件載荷變形關系曲線（P～δ曲線）就成為不可缺少的原始參數。采用經驗公式算出的緊固件柔度系數為常量，得不到緊固件進入塑性階段的柔度系數值。采用試驗測量[1]只能得到有限的緊固件載荷變形關系曲線，并且成本過高。本文以螺栓為例，利用ABAQUS有限元軟件進行結構連接件的數值模擬，計算單剪連接件螺栓的柔度系數。

1 單、雙剪連接件有限元模型

參照國軍標[2]中緊固件柔度系數測量的試樣形式，利用ABAQUS/CAE建立的單剪連接件模型如圖 1和圖 2所示。由于測試用連接件外形和受力具有對稱性，故沿對稱面截取連接件的一側建立有限元模型，便可模擬整個連接件的真實情況，并且可以節省模型計算時間。模型選用三維實體單元，考慮到結構模型網格較為扭曲，單元類型選為C3D8R。在應力集中部位，如孔、螺栓等部位網格劃分較密，板的其他部位網格較疏，疏密平滑過渡。

在定義接觸相互作用時，本模型選擇了默認的更為普遍的有限滑移公式，定義接觸對必須考慮從屬表面和主控表面。本模型的板與緊固件網格密度相近，而板的剛度比緊固件小，因而選擇板上的接觸面為從屬面，緊固件上的接觸面為主控面。根據以往的經驗和文獻中關于摩擦力對緊固件柔度系數的影響可知，摩擦力僅對載荷較小時緊固件的變形曲線影響較大，本文暫不考慮摩擦力對本模型的影響。

本文連接件模型選擇一端固定，另一端設置均布載荷的加載方式。設置分析步，使載荷從0增加到預設載荷，記錄每個增量步標距點的位移，便可記錄得出緊固件的載荷位移曲線，根據曲線，消除板變形位移的影響，便可計算出緊固件的柔度系數。

2 連接件模型的計算

單剪螺栓連接件模型采用的是Φ6的30CrMnSiA螺栓，4mm的LC4-CS上板，4.5mm的LY12-CZ下板。30CrMnSiA的剛度為203GPa，LC4-CS的剛度為：73Gpa，LY12-CZ的剛度為：68Gpa。上述各種材料的塑性性能見表 1。200Mpa載荷作用下的應力云圖和加載全過程載荷位移曲線如圖 2和圖 3所示。由曲線可計算出緊固件彈性段剛度為：3636kg/mm，即柔度系數：mm/kg，與文獻[3]中實測數據緊固件彈性段剛度3500kg/mm作比較可知，計算結果同實測值相差在5%以內，模型計算結果準確。緊固件的塑性變形相比板的塑性變形非常小，因而連接件的載荷位移曲線中的屈服點主要由板的塑性變形決定。

3 緊固件柔度系數影響因素

根據以往的研究表明，緊固件柔度系數的影響因素主要有：緊固件的類型、材料，連接板的厚度、材料，釘孔配合公差，以及緊固件安裝預緊力和摩擦系數等。考慮到緊固件P～δ曲線試驗測量中，常會消除釘孔間隙和摩擦力對結果的影響，故本文僅研究緊固件的材料、連接板厚度和材料對緊固件柔度系數的影響，影響因素研究計算單剪模型參數如表 2所示。

從圖 4中可以看出，對于單剪連接緊固件，連接板厚度對緊固件柔度系數的影響比較大，連接板的厚度越大，緊固件柔度系數越小。當板的剛度相差不大時，板材的因數沒有影響到連接件緊固件彈性段柔度系數，或者說板材對連接件緊固件彈性段柔度系數的影響較小。而板材的塑性性能對連接件載荷位移曲線的屈服點有很大影響。當板材屈服極限減小時，連接件的載荷位移曲線的拐點會提前。緊固件的材料對單剪連接件緊固件柔度系數的影響較小，當緊固件剛度增大時，其連接件緊固件的柔度系數會略微減小。

4 結論

本文建立的單剪結構連接件有限元模型，可作為計算緊固件彈塑性柔度系數的有效方法。計算結果表明：連接板板厚對緊固件柔度系數有較大影響，連接板和緊固件剛度對連接件緊固件彈性段柔度系數有較大影響，屈服極限較小的板對經固件塑性段柔度系數有較大影響。

【參考文獻】

[1]汪厚凡，楊春正.緊固件P-δ曲線的試驗與研究[J].洪都科技，1982，4-11.

[2]GJB 715.19-1990，緊固件實驗方法-搭接接頭剪切[S].1990，127-133.

[3]飛機結構強度研究所.航空結構連接件疲勞分析手冊[M].西安：飛機結構強度研究所，1985.118-226.

[責任編輯：朱麗娜]