翻邊對開孔方板拉伸強度的影響

潘慧 王文勝 李婷 姜京華

摘 要：本文利用ANSYS軟件建立了翻邊開孔方板的參數化模型，分析了單向拉伸載荷作用下不同開孔參數（開孔大小、翻邊長度、翻邊角度等）對開孔處應力強度的影響。研究發現，翻邊的存在能有效提高孔邊的強度，該結果為實際結構的翻邊開孔設計提供了參考。

關鍵詞：翻邊;開孔;方板;拉伸強度

中圖分類號：TO327;TB123文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）05-0112-04

Abstract： This paper used ANSYS software to establish a parametric model of the flanged opening square plate， and analyzed the influence of different opening parameters （opening size， flanging length， flanging angle， etc.） on the stress intensity at the opening under the unidirectional tensile load. The research found that the existence of the flange can effectively improve the strength of the hole edge， and the result provides a reference for the design of the flange opening of the actual structure.

Keywords： flanged;cutout;square plate;tensile strength

在航空航天、船舶、建筑工程等工程結構中，由于裝配、維修以及結構減重或者性能優化等方面的需求，人們經常需要在承力構件上開各種各樣、大小不同的孔。開孔對結構的連續性產生了破壞，結構強度被削弱，許多結構破壞發生在構件開孔附近區域，因此研究開孔對結構強度的影響有著十分重要的意義。

對于開孔結構孔邊強度問題，常用的解決方法有復變函數法[1]和有限元法[2-3]。在實際工程結構中，采用沖壓開孔的方法在結構上開孔，開孔的同時會在孔邊殘留一定高度的材料，即翻邊。翻邊開孔對結構振動特性的影響已有諸多研究[4-6]，帶有翻邊開孔的方板結構強度研究似未見報道。本文以帶有翻邊圓形開孔的方板為研究對象，采用ANSYS軟件建立其參數化模型，分析單向拉伸載荷作用下不同開孔參數（開孔大小r、翻邊長度L、翻邊角度[α]）對開孔處應力強度的影響及變化規律，為實際結構的翻邊開孔設計提供參考。

1 翻邊開孔模型

方板的尺寸為200 mm×200 mm×5 mm，采用鋼材料，材料屬性分別為彈性模量210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-3? g/mm3，如圖1所示。

根據結構特點，選取其1/4模型作為分析對象，利用ANSYS實現方板翻邊開孔的參數化建模與分析，選用SHELL181作為模型單元，建立模型，如圖2所示，在模型的兩條對稱邊上施加對稱約束條件，選擇模型最右端施加大小為1 000 Pa的均勻拉力。為了驗證應力對網格密度的敏感性，針對具有相同開孔參數的模型，進一步比較了翻邊圓弧線不同劃分數量對應力的影響，如表1所示。結果顯示，孔邊的最大應力（MPa）平均誤差非常小，因此采用第一種單元劃分方式進行計算。

同時，沿孔邊定義4條應力分布路徑，如圖3所示。通過對比各路徑上的應力數值，分析開孔參數對其拉伸強度的影響。

2 開孔大小對方板拉伸強度的影響

首先考慮方板開孔無翻邊的情況，圖4（a）給出了不同開孔半徑下應力沿路徑1的分布。隨著開孔半徑的增大，該區域的最大應力逐漸增大，數值變化明顯。當開孔半徑r=30～40 mm時，路徑1上的應力變化趨勢緩慢，最小應力位置為起始點;當半徑r=50～70 mm時，路徑1上的應力變化趨勢劇烈，最小應力位置偏離起始位置。

固定翻邊角度[α]=30°以及翻邊長度[L]=10 mm，下面研究開孔半徑對翻邊開孔方板的強度影響。為了對比清晰，首先給出了翻邊存在情況下方板孔邊應力沿路徑1的分布，如圖4（b）所示。與無翻邊情況相比，在相同的開孔半徑下，有翻邊開孔方板孔邊的最大應力都較小，隨著半徑越大，兩者差距越來越大，例如，在[R]=70 mm時，無翻邊的最大應力為3 222 MPa，有翻邊的最大應力為950 MPa，翻邊能有效地減小開孔板的應力，對開孔板強度具有較大影響。

在同樣載荷作用下，由于翻邊的存在，方板沿路徑1的應力值大幅降低，翻邊承受了部分載荷，因此翻邊上的應力強度也同樣需要關注。圖5給出了不同開孔半徑下沿翻邊的三條不同路徑應力的分布情況。在路徑2上，應力值均增大，開孔半徑越大，應力越大。在路徑3上，開孔半徑越大，初始應力就越大，在路徑上逐漸減小，經過低應力區域后又逐漸升高，開孔半徑越大，終止區域的應力越大。在路徑4上，各開孔半徑下，應力值沿路徑逐漸降低。

3 翻邊長度對方板強度的影響

保持翻邊角度[α]=30°、開孔半徑r=50 mm不變，取表1中各翻邊長度參數進行分析，獲得翻邊長度的改變對開孔方板拉伸強度的影響。

圖6給出了5個翻邊長度下孔邊應力分別沿著4個路徑的分布情況。在路徑1上，應力都逐漸增大，起始處翻邊長度越大，應力越大，終止處正好相反。在路徑2上，應力都沿著路徑增長，反映出翻邊長度越大、應力值越小的特點。在路徑3上，應力值都沿著路徑先減小后增大，起始處與終止處翻邊越長，應力值越小。在路徑4上，應力值沿著路徑減小，起始處與終止處翻邊越長，應力值越小。由此可見，在固定開孔半徑及翻邊角度的情況下，翻邊越長，孔邊的應力值越小，這主要是因為隨著翻邊長度的增加，用來承受載荷的材料增多。

4 翻邊角度對方板強度的影響

保持開孔半徑r=50 mm，翻邊長度L=10 mm，下面分析翻邊角度的改變對開孔方板強度的影響，結果如圖7所示。

翻邊角度的改變對應力有較大影響，在角度為15°～75°時，方板上的最大應力值由944 MPa減小到731 MPa。但當角度增大到90°時，最大應力值又升至922 MPa，這與結構特點有明顯關系，當角度為90°時，翻邊與方板垂直連接，更容易出現應力集中。在路徑1上，翻邊角度在15°～45°變化時，初始區域角度越小，應力越大，而角度在60°～90°變化時，初始區域角度越大，應力越大。靠近終止區域，翻邊角度越大，應力越大，各應力值最后均趨近于500 MPa左右。在路徑2上，[α]=75°時，應力變化較為緩和;[α]=15°～60°時，應力都增大;[α]=90°時，路徑上應力先急劇升高再降低，整體翻邊角度越大，終止區域的應力越小。在路徑4上，總體大致呈應力減小最后趨于穩定的趨勢，起始處翻邊角度越小，應力越大，終止處正好相反。

5 結論

本文對帶有翻邊圓孔方板的拉伸強度進行了研究，結果發現，與無翻邊開孔情況相比，同樣開孔半徑的情況下翻邊的存在增加了方板的強度，孔邊應力強度顯著降低。翻邊長度的增加實際上增多了抵抗載荷的材料，因此體現出翻邊長度越大、結構強度越強的特點。翻邊角度對結構強度的影響體現出角度越大、應力越小的總體特征，但角度90°是一種特殊情況，不建議采用。在實際工程結構設計中，人們要根據結構強度和質量等性能要求，合理選擇合適的開孔參數。

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