金屬結(jié)構(gòu)堵孔凈間距對孔周邊應(yīng)力影響研究

翟斌 楊子偉 吳鐵鋒

【摘 要】飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)和裝配過程中，工藝或制造中常出現(xiàn)空孔。按照設(shè)計(jì)原則，任何大小的空孔都應(yīng)該堵住。為了定量研究堵孔對周邊結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響，本文選取堵孔與臨近緊固件材料凈間距作為研究對象，定量研究材料凈間距對結(jié)構(gòu)堵孔后的應(yīng)力影響，用于指導(dǎo)堵孔操作后的強(qiáng)度評估。

【關(guān)鍵詞】堵孔；凈間距；有限元分析

中圖分類號(hào)： V261 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）18-0006-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.003

【Abstract】During the process of the production and assembly of aircraft metal structure， hollow hole often occurs. According to the design principle， any hollow hole should be plugged.In order to quantitatively study the effect of hole plugging on hole edge stress， the net spacing between plugging and adjacent fastener is selected as the research object and the edge stress after plugging is researched. The conclusion can be used to guide the evaluation of strength after plugging.

【Key words】Plugging；Net spacing；FEM

0 前言

民機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中，工藝或功能上不需要的任何大小的空孔都應(yīng)該堵住。正確的堵孔能夠降低孔應(yīng)力集中系數(shù)，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能[1]。本文通過有限元分析堵孔凈間距對孔周邊應(yīng)力分布的影響，定量研究不同堵孔凈間距對強(qiáng)度影響。

1 幾何模型與有限元分析

堵孔主要考慮拉伸情況下堵孔凈間距、堵釘干涉量、緊固件類型、堵孔凈邊距等因素對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響規(guī)律，典型結(jié)構(gòu)為雙剪形式，堵孔為柱狀鋁堵釘，堵孔位于中間層受載板的端部，且垂直載荷方向，如圖1所示。

根據(jù)幾何示意圖1，有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖2，采用C3D8R進(jìn)行計(jì)算分析。緊固件HST10AG5材料為Ti-6AL-4V鈦合金，連接板材料為2024-T3鋁合金，材料屬性均采用Johnson-Cook本構(gòu)模型來模擬，如下式所示：

σ=（A+Bεn）（1+Clnε*）（1-T*m）

其中，σ是流動(dòng)應(yīng)力，ε是塑性應(yīng)變，A，B，n是材料常數(shù)，通過給定材料本構(gòu)曲線的基礎(chǔ)上采用最小二乘法擬合出本構(gòu)參數(shù)，得到的參數(shù)如表1所示。堵孔與緊固件凈間距依次選取1.0mm、1.27mm、1.6mm。柱狀堵釘材料2024-T3，干涉量2.5%；基體材料2024-T3，板厚1.6mm；高鎖緊固件干涉量1%。

緊固件干涉通過接觸對屬性里的Interference fit來定義，預(yù)緊力通過load模塊下bolt load施加。模型通過固定左邊界并在右邊界施加模型總長度0.3%的位移載荷進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果分析

在分析緊固件連接結(jié)構(gòu)時(shí)，由于應(yīng)力集中因素的影響，孔邊往往是最易發(fā)生疲勞損傷的地方。文獻(xiàn)[2、3]分析了干涉連接結(jié)構(gòu)在拉伸外載作用下的孔邊應(yīng)力分布，并指出由于孔邊最小截面處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面，疲勞破壞常常起始于該處，因此干涉配合結(jié)構(gòu)的疲勞壽命主要受其縱向應(yīng)力的影響。另外也有文獻(xiàn)利用縱向應(yīng)力分析了類似結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度問題，T.N.Chakherlou等人在研究雙剪螺栓連接結(jié)構(gòu)時(shí)，專門分析了孔邊最小截面處的縱向應(yīng)力分布規(guī)律，包括厚度方向和沿孔邊緣距離方向，并得出引入干涉能顯著降低縱向交變應(yīng)力變化幅值，從而大大地改善了結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度[4]。因此本文采用縱向應(yīng)力來分析。

模型中上層連接板TL（Top-Layer）和中間層連接板ML（Middle-Layer）的應(yīng)力S11在Step-4[5]結(jié)束時(shí)的應(yīng)力云圖如圖3，結(jié)果表明中間層連接板上的最大應(yīng)力的分布范圍比上層板大很多，因此更容易產(chǎn)生裂紋，后續(xù)重點(diǎn)分析中間層連接板的力學(xué)行為。

圖4所示依次為ML沿縱向方向的塑形應(yīng)變PE11在Step-3、Step-4[5]結(jié)束時(shí)的應(yīng)變云圖。從圖4可以看出，計(jì)算完緊固件的干涉后，ML的塑性變形主要集中在堵孔上方，結(jié)合圖4（b）可以得知在拉伸載荷作用后ML的塑性變形區(qū)域變得緩和了，究其原因是因?yàn)楦缮娴拇嬖谑沟媚Ｐ椭挟a(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力，有效的提高了模型的壽命[3]。

圖5為不同凈間距下ML的應(yīng)力S11在Step-4結(jié)束時(shí)的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，不同凈間距對ML的應(yīng)力分布有明顯的影響。為了更準(zhǔn)確地反映不同凈間距對孔邊應(yīng)力的影響，在三種不同模型的ML上均定義了一條沿最小橫截面的直線，該直線分為三段，分別是AB、CD、EF，如圖6所示，輸出應(yīng)力S11的變化趨勢如圖7所示，圖中A、C、D、E分別表示的是模型中的孔邊位置。

3 結(jié)論

從圖7可以看出，不同凈間距對路徑AB上的S11應(yīng)力分布基本上沒有影響，而對路徑CD和EF上的S11應(yīng)力分布則有一定影響，其中路徑CD尤為突出。從圖7中可以得知，隨著凈間距的增大孔邊（C和D）的應(yīng)力S11均隨之減小，減小了2.7%。這可能是因?yàn)殡S著凈間距的增大，模型的不規(guī)則程度得到一定緩和，使得孔邊應(yīng)力的最大值也隨之下降。隨著凈間距的增大E孔處的應(yīng)力S11也隨之增大，增大了2.3%，F(xiàn)孔處的應(yīng)力S11則基本保持不變，這可以用圣維南原理來解釋。

綜上，凈間距的變化主要影響了堵孔孔邊（C、D和E）的S11應(yīng)力分布，而且C和D孔處的S11應(yīng)力與凈間距的變化成反比，E孔處的S11應(yīng)力與凈間距的變化成正比。

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