基于Abaqus的預緊力對航空器用螺栓強度影響的有限元分析＊

張寧，郭辛，程思晗

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基于Abaqus的預緊力對航空器用螺栓強度影響的有限元分析＊

張寧，郭辛，程思晗

（中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300）

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

有限元分析；螺栓；預緊力；切向載荷

螺栓連接在飛機結構連接中占有重要地位，螺栓雖構造簡單，但受力機理復雜。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意義。

1 部件模型

螺栓組件由螺栓、螺母、基體與構件組成。螺栓預緊力形成構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，構件厚度設為2 mm，螺栓孔的直徑設為14.1 mm；基體模型采用14 mm×30 mm×40 mm。根據疲勞試驗試樣，螺栓、基體和構件材料的屬性如表1下所示。

表1 螺栓、基體和構件材料的屬性

材料屬性材料彈性模量/GPa泊松比抗拉強度/MPa屈服強度/MPa 螺栓2100.31 280940 基體、構件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]，將螺栓頭部與構件接觸面和構件與基體接觸面定義為摩擦系數為0.29的小滑移切向摩擦接觸。在構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種工況下的應力情況。約束基體伸出端平面全部6個自由度，完全固定。網格劃分時，采用C3D8R八節點線性六面體縮減積分單元進行網格劃分，均采用中性軸算法，采用掃掠的方法自動劃分網格。

3 結果分析

3.1 不同預緊力情況下孔邊的應力分析

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

圖2 不同預緊力下，孔邊最大Mises應力和平均Mises應力情況

圖3 Mises應力隨距離的變化

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

3.2 不同預緊力下接觸應力分析

圖4為不同預緊力下構件接觸應力情況。

這里接觸應力為切向載荷方向的接觸應力（CShear1），指定切向載荷方向為正方向。在施加預緊力的情況下，上孔邊（與螺栓頭部接觸的構件面）的最大接觸應力與平均接觸應力方向均與切向載荷方向一致，且最大接觸應力隨著螺栓裝配預緊力的不斷線性增大而增大，上孔邊最大接觸應力也不斷線性增大；而上孔邊的平均接觸應力隨著螺栓裝配預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件面）的最大接觸應力與平均接觸應力方向均與切向載荷方向相反，且最大接觸應力大小隨著螺栓裝配預緊力的不斷線性增加而線性變大，平均接觸應力大小隨著螺栓裝配預緊力的不斷線性增大而線性下降[4-5]。

4 結論

本文首先介紹了螺栓緊固件有限元模型的建立，根據疲勞試驗模型進行簡化建模，在Abaqus有限元分析軟件中計算出應力、應變情況。經分析，得到如下結論：①在110 MPa切向載荷一定的情況下，隨著螺栓預緊力的不斷線性變大，構件孔邊最大等效應力（Mises應力）不斷線性變大；但螺栓預緊力僅在孔邊附近產生較大的影響，對于遠離螺栓孔邊區域，應力值并沒有發生較大變化。②隨著螺栓預緊力的不斷線性增大，上孔邊的最大接觸應力大小、下孔邊的最大接觸應力大小均不斷線性增大，但上下孔邊平均接觸應力大小均不斷線性下降，說明隨著預緊力的不斷變大，螺栓緊固件受外載荷的影響不斷減小。

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中央高校基本科研業務費專項資金項目（編號：3122014H002）

2095－6835（2018）18－0030－02

V26

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.030

〔編輯：劉曉芳〕