飛機角接頭尺寸參數對其強度的影響分析

蘇長青，施岐坤，郭凡逸

（沈陽航空航天大學 安全工程學院，遼寧 沈陽 110136）

飛機結構中由于設計需要以及制造工藝限制等因素，不可避免地要使用連接接頭來實現不同構件間的連接以及載荷的傳遞和分配[1]。目前，研究接頭連接結構有三種方法，分別為有限元分析法[2-8]、試驗驗證[9-11]、解析法[12-14]。有限元分析法主要使用有限元軟件處理復雜的實際工程問題，并且計算出最為準確的結果，是研究接頭連接結構的主要的方法[15]；試驗驗證試是利用試驗方法得到可信度較高的試驗數據，是研究接頭連接結構最直接的方法；解析法有一定的局限性，對于復雜的結構只能定性地評估且計算結果復雜，而計算簡單的結構得出的結果準確。在建立角接頭連接結構有限元分析模型的基礎上，以緊固件孔直徑、接頭端部厚度、圓角半徑作為影響參數，通過分析不同工況下角接頭的結果，研究了不同參數對于角接頭連接結構強度的影響趨勢，并提出結構改進的方案，通過分析表明本方案是合理的。

1 角接頭有限元模型的建立

角接頭由接頭端部以及兩側壁板組成，接頭端部有一螺栓孔，兩側壁板均為緊固件孔。接頭的兩側壁板須用緊固件固定在傳力元件上，以獲得穩定的支持[16]，拉伸螺栓將角接頭與夾層材料、對邊接頭連接在一起。角接頭結構示意圖如圖1所示。

圖1 角接頭結構示意圖

在完成實體模型的基礎上來實現計算模型的建立，由于角接頭是主要研究對象，將螺栓以及墊圈合并簡化到螺栓整體上。螺栓與角接頭接觸傳力，通過設置接觸對能夠提高模擬的精度，使用接觸管理器定義了如下2對接觸對，分別是螺栓桿與螺栓孔的接觸，墊圈與端部平面接觸，從而更加準確地模擬實際工程中的受力情況。接觸部分采用ANSYS16.1中的面面接觸單元CONTA174與TARGET170。為了節省計算機資源提高計算速度，角接頭則采用10節點四面體結構實體單元SOLID187，螺栓同樣采用SOLID187實體單元。

角接頭以及螺栓采用的材料如表1所示。

表1 材料屬性

角接頭的形狀很不規則，采用映射網格劃分比較困難，故用自由網格劃分，劃分后一共有65509個實體單元，73322個結點。為了保證有限元計算結果的唯一，必須對有限元模型施加恰當的約束條件，旨在更加準確地模擬工程實際情況，又考慮到角接頭被緊固件固定，整體受拉，所以在遠離接頭端部的緊固件孔的后半圓面施加全約束，在螺栓上施加拉力。

根據角接頭尺寸參數緊固件孔直徑、接頭端部厚度、倒角體圓角半徑對其強度的影響，分別計算分析了以下七種工況：

（1）工況1：根據實際模型尺寸與材料建立分析模型，在螺栓上施加30000N的水平拉力，通過接觸將其拉力傳遞給角接頭；

（2）工況2：在工況1的基礎上將兩側壁板緊固件孔直徑增大1mm；

（3）工況3：在工況1的基礎上將兩側壁板緊固件孔直徑減少1mm；

（4）工況4：在工況1的基礎上增加3mm接頭端部厚度；

（5）工況5：在工況1的基礎上減少3mm接頭端部厚度；

（6）工況6：在工況1的基礎上將接頭倒角體圓角半徑減少1mm；

（7）工況7：在工況1的基礎上將接頭倒角體圓角半徑增加2mm。

2 結果分析

在求解器中計算工況1，由云圖來顯示其應力情況。角接頭主要受到壓力與拉力作用，通過后處理器中重要的第一主應力、第三主應力以及Von Mises應力來分析其能否滿足強度要求[17]，見圖2、圖3。Von Mises應力是由第四強度理論來計算的等效應力，其公式為：

其強度條件為：

圖2 工況1第一主應力云圖

圖3 工況1～7 Von Mises應力云圖

由第一主應力云圖看出，接頭端部與螺栓接觸的表面受到螺栓的壓力，說明接觸對能準確模擬它們的相互作用；由Von Mises應力云圖看出，底板第二排第一個緊固件孔應力集中較大，最大Von Mises等效應力存在于此處，為264.57MPa，小于材料屈服強度455MPa。工況1～工況7的Von Mises應力云圖如圖3所示。

3 角接頭的改進

將七種工況的Von Mises、第一主應力、第三主應力的最大值分別記錄于表2。

表2 七種工況的應力

從表2可以看出：

（1）通過分析工況1、2、3得出，隨著緊固件孔半徑的增大，緊固件孔應力集中有所降低。應當適當地增大緊固件孔的直徑，以此改善應力集中問題。

（2）通過分析工況1、4、5得出，隨著接頭端部厚度的增加，緊固件孔應力集中有所降低。應適當地增加接頭端部的厚度，以此緩解應力集中問題。但從減重的角度來說，工況4會增加角接頭的質量。

（3）通過分析工況6、7得出，改變倒角體圓角半徑大小只是小幅度增大了Von Mises最大應力，隨著倒角體的圓角半徑增大，第一、第三主應力增大，從改善應力集中的角度講，不宜采用此兩種工況。

工況2與工況4都在一定程度上改善了應力集中，為了比較其改善的程度，計算工況2與工況4的應力減小百分比數，如表3所示。

表3 應力減小百分比數

從表中可以看出，工況2的應力減小百分比數明顯大于工況4，則緊固件孔直徑增大1mm改善程度要強于端部厚度增加3mm，且工況4改善程度較低，對降低角接頭應力集中效果則不明顯。

根據以上的分析得出為了改善應力集中，適當減少角接頭質量，在基本模型的基礎上，增大1mm緊固件孔直徑。由于最大應力的位置在底板第二排第一個緊固件孔，現將模型在其基礎上，在第一排新增一個緊固件孔來降低最大應力以及改善應力集中問題。如圖4所示，經過計算得到，角接頭的最大Von Mises應力是185.886MPa，而未改進的角接頭模型其最大Von Mises應力是264.57MPa，相比降低了29.74%的最大Von Mises應力，在一定程度上降低了最大應力，改善了應力集中。

圖4 角接頭改進后的Von Mises應力云圖

4 結論

使用ANSYS的接觸分析能夠精準地模擬螺栓與螺栓孔之間的接觸傳力，對飛機角接頭進行分析，找出最大應力處為底板第二排第一個緊固件孔。根據三種尺寸參數設計分析了七種工況，找出改善應力集中的兩種工況，計算了應力減小百分比數來判斷其改善程度，得出緊固件孔徑的影響要大于端部厚度。通過在底板第一排增加一個緊固件孔，并且將兩側壁板緊固件孔直徑減小1mm來改進模型，從而降低了角接頭29.74%的最大Von Mises應力并改善了應力集中。