基于ABAQUS接頭對接有限元分析

陳昊龍 韓學禮 杜 娟 董鳳武

（中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司，漢中 723213）

在飛機設計中，接頭對接是結構傳遞載荷的重要方式，實現不同結構載荷傳遞和分配。接頭承受載荷容易產生應力集中，應力集中導致結構強度降低。由于對接接頭通過螺栓裝配時，螺栓與各接頭會產生接觸摩擦力，同時又受到其他因素的影響，導致接頭與連接螺栓受力情況的不規則與復雜多邊形，運用經典力學方法無法準確給出接頭對接的受力特性。

有限元數值模擬法為接頭對接分析提供了一種有效方法。準確合理的建模方法是獲得結果的前提。本文利用ABAQUS軟件對接頭對接結構進行建立有限元模型研究，考慮了材料應力應變曲線的非線性，并對對接接頭與連接螺栓建立面-面接觸，給出對接接頭進行有限元應力分析，研究接頭對接時接頭耳片的變形，為類似問題提供借鑒。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

文中分析對接接頭結構包括接頭1、接頭2和對接螺栓。接頭1、接頭2材料為30CrMnSiA（自由鍛），彈性模量為210000MPa；連接螺栓的材料為30CrMnSiA，彈性模量為210000MPa。接頭1、接頭2和對接螺栓的極限強度σb=1080MPa，屈服強度σ0.2=835MPa。

為減少計算量和節省計算機資源，忽略螺紋的受力情況，將螺母與螺栓定義為一個零部件。接頭1、接頭2和對接螺栓利用ABAQUS建立裝配體，并對其各部件劃分網格。為保證精度，在接頭1、接頭2耳孔附近區域和連接螺栓采用八節點六面體線性完全積分單元，接頭1、接頭2其它區域采用六節點四面體線性完全積分單元。有限元模型見圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

1.2 定義接觸對

接頭1、接頭2和連接螺栓裝配后，3個部件互相接觸，在分析過程中需建立部件間的接觸對。耳片外側平面與連接螺栓螺栓頭、螺帽內表面建立面—面接觸，模擬螺栓夾持耳片；接頭1、接頭2耳孔與連接螺栓光桿建立建立面—面接觸，模擬螺栓擠壓耳孔。接觸如圖1所示。

接頭1、接頭2和連接螺栓接觸方向為法向，硬接觸，不考慮摩擦。

1.3 約束與加載

接頭2底板螺栓孔處約束X，Y，Z三個方向的線位移；在接頭1端面施加法向載荷，載荷大小為100000N。載荷方向如圖1所示。

2 有限元應力結果

對整體模型進行彈塑性分析，得到整體結構的應力分布，其中，接頭1的應力與變形云圖如圖2所示，接頭2的應力與變形云圖如圖3所示，連接螺栓的應力與變形云圖如圖4所示。

圖2 接頭1的應力與變形云圖

圖3 接頭2的應力與變形云圖

圖4 連接螺栓的應力與變形云圖

不考慮約束與加載的影響，由圖2～圖4可知，接頭1危險點出現在耳孔與連接螺栓接觸面，其最大Mises等效應力為903.9MPa，最大變形為0.2823mm；接頭2危險點出現在耳孔與連接螺栓接觸面，其最大Mises等效應力為811MPa，最大變形為0.1323 mm；連接螺栓危險點出現在連接螺栓與耳孔接觸面，其最大Mises等效應力為498.1MPa，最大變形為0.1605mm。

3 結論

利用有限元軟件ABAQUS對接頭對接進行了-數值模擬分析，充分考慮了結構的接觸特性和材料的非線性等特點，其計算結果能夠反映結構的傳力特點。通過對結果進行分析可知：耳片厚度不同，使得接頭1耳片上應力較大；接頭1受拉時，連接螺栓發生彎曲，使接頭2產生附加載荷，引起接頭2耳片向兩側張開；連接螺栓螺母與螺帽和接頭2的立筋阻止耳片向外張開，導致立筋較強的一側變形較小，另一側變形較大。

綜上，本文通過研究接頭對接時接頭耳片的變形，為接頭的改進和類似問題提供借鑒。