張江

【摘 要】緊固件載荷變形關(guān)系曲線（P～δ曲線）是計(jì)算結(jié)構(gòu)連接部位細(xì)節(jié)疲勞壽命不可或缺的原始參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)量只能得到有限的緊固件載荷變形關(guān)系曲線，本文利用ABAQUS有限元軟件建立單剪結(jié)構(gòu)連接件的三維模型，計(jì)算緊固件載荷變形關(guān)系曲線，從而得出緊固件柔度系數(shù)，利用實(shí)測(cè)值對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，并研究了緊固件柔度系數(shù)的影響因素。

【關(guān)鍵詞】緊固件；柔度系數(shù)；數(shù)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(jī)上緊固件的使用量非常大，為計(jì)算緊固件連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，無(wú)論是采用應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法還是應(yīng)力應(yīng)變法，都須對(duì)重要連接部位進(jìn)行有限元細(xì)節(jié)分析，故應(yīng)提供緊固件剛度方陣的剛度系數(shù)或柔度系數(shù)，緊固件載荷變形關(guān)系曲線（P～δ曲線）就成為不可缺少的原始參數(shù)。采用經(jīng)驗(yàn)公式算出的緊固件柔度系數(shù)為常量，得不到緊固件進(jìn)入塑性階段的柔度系數(shù)值。采用試驗(yàn)測(cè)量[1]只能得到有限的緊固件載荷變形關(guān)系曲線，并且成本過(guò)高。本文以螺栓為例，利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接件的數(shù)值模擬，計(jì)算單剪連接件螺栓的柔度系數(shù)。

1 單、雙剪連接件有限元模型

參照國(guó)軍標(biāo)[2]中緊固件柔度系數(shù)測(cè)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(cè)試用連接件外形和受力具有對(duì)稱性，故沿對(duì)稱面截取連接件的一側(cè)建立有限元模型，便可模擬整個(gè)連接件的真實(shí)情況，并且可以節(jié)省模型計(jì)算時(shí)間。模型選用三維實(shí)體單元，考慮到結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格較為扭曲，單元類型選為C3D8R。在應(yīng)力集中部位，如孔、螺栓等部位網(wǎng)格劃分較密，板的其他部位網(wǎng)格較疏，疏密平滑過(guò)渡。

在定義接觸相互作用時(shí)，本模型選擇了默認(rèn)的更為普遍的有限滑移公式，定義接觸對(duì)必須考慮從屬表面和主控表面。本模型的板與緊固件網(wǎng)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(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)中關(guān)于摩擦力對(duì)緊固件柔度系數(shù)的影響可知，摩擦力僅對(duì)載荷較小時(shí)緊固件的變形曲線影響較大，本文暫不考慮摩擦力對(duì)本模型的影響。

本文連接件模型選擇一端固定，另一端設(shè)置均布載荷的加載方式。設(shè)置分析步，使載荷從0增加到預(yù)設(shè)載荷，記錄每個(gè)增量步標(biāo)距點(diǎn)的位移，便可記錄得出緊固件的載荷位移曲線，根據(jù)曲線，消除板變形位移的影響，便可計(jì)算出緊固件的柔度系數(shù)。

2 連接件模型的計(jì)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(yīng)力云圖和加載全過(guò)程載荷位移曲線如圖 2和圖 3所示。由曲線可計(jì)算出緊固件彈性段剛度為：3636kg/mm，即柔度系數(shù)：mm/kg，與文獻(xiàn)[3]中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)緊固件彈性段剛度3500kg/mm作比較可知，計(jì)算結(jié)果同實(shí)測(cè)值相差在5%以內(nèi)，模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)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(diǎn)主要由板的塑性變形決定。

3 緊固件柔度系數(shù)影響因素

根據(jù)以往的研究表明，緊固件柔度系數(shù)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(yù)緊力和摩擦系數(shù)等?？紤]到緊固件P～δ曲線試驗(yàn)測(cè)量中，常會(huì)消除釘孔間隙和摩擦力對(duì)結(jié)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(duì)緊固件柔度系數(shù)的影響，影響因素研究計(jì)算單剪模型參數(shù)如表 2所示。

從圖 4中可以看出，對(duì)于單剪連接緊固件，連接板厚度對(duì)緊固件柔度系數(shù)的影響比較大，連接板的厚度越大，緊固件柔度系數(shù)越小。當(dāng)板的剛度相差不大時(shí)，板材的因數(shù)沒有影響到連接件緊固件彈性段柔度系數(shù)，或者說(shuō)板材對(duì)連接件緊固件彈性段柔度系數(shù)的影響較小。而板材的塑性性能對(duì)連接件載荷位移曲線的屈服點(diǎn)有很大影響。當(dāng)板材屈服極限減小時(shí)，連接件的載荷位移曲線的拐點(diǎn)會(huì)提前。緊固件的材料對(duì)單剪連接件緊固件柔度系數(shù)的影響較小，當(dāng)緊固件剛度增大時(shí)，其連接件緊固件的柔度系數(shù)會(huì)略微減小。

4 結(jié)論

本文建立的單剪結(jié)構(gòu)連接件有限元模型，可作為計(jì)算緊固件彈塑性柔度系數(shù)的有效方法。計(jì)算結(jié)果表明：連接板板厚對(duì)緊固件柔度系數(shù)有較大影響，連接板和緊固件剛度對(duì)連接件緊固件彈性段柔度系數(shù)有較大影響，屈服極限較小的板對(duì)經(jīng)固件塑性段柔度系數(shù)有較大影響。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]GJB 715.19-1990，緊固件實(shí)驗(yàn)方法-搭接接頭剪切[S].1990，127-133.

[3]飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究所.航空結(jié)構(gòu)連接件疲勞分析手冊(cè)[M].西安：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究所，1985.118-226.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]