蘇長(zhǎng)青，施岐坤，郭凡逸

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中由于設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)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(jié)構(gòu)有三種方法，分別為有限元分析法[2-8]、試驗(yàn)驗(yàn)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(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題，并且計(jì)算出最為準(zhǔn)確的結(jié)果，是研究接頭連接結(jié)構(gòu)的主要的方法[15]；試驗(yàn)驗(yàn)證試是利用試驗(yàn)方法得到可信度較高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是研究接頭連接結(jié)構(gòu)最直接的方法；解析法有一定的局限性，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)只能定性地評(píng)估且計(jì)算結(jié)果復(fù)雜，而計(jì)算簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)得出的結(jié)果準(zhǔn)確。在建立角接頭連接結(jié)構(gòu)有限元分析模型的基礎(chǔ)上，以緊固件孔直徑、接頭端部厚度、圓角半徑作為影響參數(shù)，通過(guò)分析不同工況下角接頭的結(jié)果，研究了不同參數(shù)對(duì)于角接頭連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案，通過(guò)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(cè)壁板組成，接頭端部有一螺栓孔，兩側(cè)壁板均為緊固件孔。接頭的兩側(cè)壁板須用緊固件固定在傳力元件上，以獲得穩(wěn)定的支持[16]，拉伸螺栓將角接頭與夾層材料、對(duì)邊接頭連接在一起。角接頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 角接頭結(jié)構(gòu)示意圖

在完成實(shí)體模型的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的建立，由于角接頭是主要研究對(duì)象，將螺栓以及墊圈合并簡(jiǎn)化到螺栓整體上。螺栓與角接頭接觸傳力，通過(guò)設(shè)置接觸對(duì)能夠提高模擬的精度，使用接觸管理器定義了如下2對(duì)接觸對(duì)，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(zhǔn)確地模擬實(shí)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(jié)省計(jì)算機(jī)資源提高計(jì)算速度，角接頭則采用10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID187，螺栓同樣采用SOLID187實(shí)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(guī)則，采用映射網(wǎng)格劃分比較困難，故用自由網(wǎng)格劃分，劃分后一共有65509個(gè)實(shí)體單元，73322個(gè)結(jié)點(diǎn)。為了保證有限元計(jì)算結(jié)果的唯一，必須對(duì)有限元模型施加恰當(dāng)?shù)募s束條件，旨在更加準(zhǔn)確地模擬工程實(shí)際情況，又考慮到角接頭被緊固件固定，整體受拉，所以在遠(yuǎn)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(jù)角接頭尺寸參數(shù)緊固件孔直徑、接頭端部厚度、倒角體圓角半徑對(duì)其強(qiáng)度的影響，分別計(jì)算分析了以下七種工況：

（1）工況1：根據(jù)實(shí)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(guò)接觸將其拉力傳遞給角接頭；

（2）工況2：在工況1的基礎(chǔ)上將兩側(cè)壁板緊固件孔直徑增大1mm；

（3）工況3：在工況1的基礎(chǔ)上將兩側(cè)壁板緊固件孔直徑減少1mm；

（4）工況4：在工況1的基礎(chǔ)上增加3mm接頭端部厚度；

（5）工況5：在工況1的基礎(chǔ)上減少3mm接頭端部厚度；

（6）工況6：在工況1的基礎(chǔ)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(chǔ)上將接頭倒角體圓角半徑增加2mm。

2 結(jié)果分析

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

其強(qiáng)度條件為：

圖2 工況1第一主應(yīng)力云圖

圖3 工況1～7 Von Mises應(yīng)力云圖

由第一主應(yīng)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(shuō)明接觸對(duì)能準(zhǔn)確模擬它們的相互作用；由Von Mises應(yīng)力云圖看出，底板第二排第一個(gè)緊固件孔應(yīng)力集中較大，最大Von Mises等效應(yīng)力存在于此處，為264.57MPa，小于材料屈服強(qiáng)度455MPa。工況1～工況7的Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。

3 角接頭的改進(jìn)

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

表2 七種工況的應(yīng)力

從表2可以看出：

（1）通過(guò)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(yīng)力集中有所降低。應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)卦龃缶o固件孔的直徑，以此改善應(yīng)力集中問(wèn)題。

（2）通過(guò)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(yīng)力集中有所降低。應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾咏宇^端部的厚度，以此緩解應(yīng)力集中問(wèn)題。但從減重的角度來(lái)說(shuō)，工況4會(huì)增加角接頭的質(zhì)量。

（3）通過(guò)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(yīng)力，隨著倒角體的圓角半徑增大，第一、第三主應(yīng)力增大，從改善應(yīng)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(yīng)力集中，為了比較其改善的程度，計(jì)算工況2與工況4的應(yīng)力減小百分比數(shù)，如表3所示。

表3 應(yīng)力減小百分比數(shù)

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

根據(jù)以上的分析得出為了改善應(yīng)力集中，適當(dāng)減少角接頭質(zhì)量，在基本模型的基礎(chǔ)上，增大1mm緊固件孔直徑。由于最大應(yīng)力的位置在底板第二排第一個(gè)緊固件孔，現(xiàn)將模型在其基礎(chǔ)上，在第一排新增一個(gè)緊固件孔來(lái)降低最大應(yīng)力以及改善應(yīng)力集中問(wèn)題。如圖4所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，角接頭的最大Von Mises應(yīng)力是185.886MPa，而未改進(jìn)的角接頭模型其最大Von Mises應(yīng)力是264.57MPa，相比降低了29.74%的最大Von Mises應(yīng)力，在一定程度上降低了最大應(yīng)力，改善了應(yīng)力集中。

圖4 角接頭改進(jìn)后的Von Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

使用ANSYS的接觸分析能夠精準(zhǔn)地模擬螺栓與螺栓孔之間的接觸傳力，對(duì)飛機(jī)角接頭進(jìn)行分析，找出最大應(yīng)力處為底板第二排第一個(gè)緊固件孔。根據(jù)三種尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)分析了七種工況，找出改善應(yīng)力集中的兩種工況，計(jì)算了應(yīng)力減小百分比數(shù)來(lái)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(guò)在底板第一排增加一個(gè)緊固件孔，并且將兩側(cè)壁板緊固件孔直徑減小1mm來(lái)改進(jìn)模型，從而降低了角接頭29.74%的最大Von Mises應(yīng)力并改善了應(yīng)力集中。