簡析裝配間隙對工程制造的影響

尤天澤 戴方適 張媛

摘 要 在大型工程制造中，使用連接件進行裝配連接時往往受到精度、安裝條件以及零件超差等因素影響，導致被連接的零件在貼合面存在間隙，本文選取了工程制造被廣泛使用的耳片連接裝配方式，利用ABAQUS有限元軟件模擬了裝配中各個零件的接觸關系，通過求解結果對裝配間隙的影響進行了分析。

關鍵詞 裝配間隙;ABAQUS有限元;接觸關系

大型工程機械制造中，大型結構往往是由各個部件裝配而成的，因此也不可避免地會受到安裝條件、精度以及零件超差等因素的影響產生裝配間隙，對于修合后仍不能消除的間隙，需要在零件在貼合面增加各種形式的墊片或墊板來進行安裝，這種方式雖然可以保證安裝的進行，但也會對于零件的強度、疲勞壽命等方面帶來很大的影響。本文使用ABAQUS有限元分析軟件，真實模擬裝配過程中各零件以及連接件之間的接觸關系，使用非線性求解器求解得到零件接觸面應力分布結果，并以此對裝配間隙造成的影響進行分析。

1典型分析模型的選取

大型部件的組裝中，接頭耳片是其中最具代表性的安裝形式，也是受載最為嚴重的構件之一，故對其安裝質量的要求也更為嚴格。本文選擇接頭耳片為模型，分析裝配間隙對其造成的影響。

本次選取的耳片結構形式如圖1所示，耳片材質為鋁合金牌號LD10，彈性模量為E=70560 MPa，泊松比μ=0.33，螺栓為鋼質材料牌號30CrMnSiA，彈性模量為E=205000 MPa，泊松比μ=0.3。耳片的單耳與叉耳之間存在2mm間隙并使用墊板墊平。整體模型的網格劃分如圖2所示。

2應力結果分析

此次分析用模型僅在耳片兩端進行約束及加載（見圖1），其余各部分貼合面均建立接觸關系并使用ABAQUS有限元軟件非線性求解器進行求解分析[1]，得到單耳接頭耳孔壁部位的應力分布情況如圖3所示。

由求解結果看出，正常無間隙裝配時，螺栓與耳孔的貼合良好，螺栓的擠壓應力沿孔壁均勻分布。而當存在裝配間隙時，導致了螺栓在受載時出現了更大的彎曲變形，導致螺栓與孔壁的接觸面積減小，使螺栓對耳孔孔壁的擠壓應力分布不均勻，靠近孔壁上、下邊沿處的應力較高。根據DFR法耳片疲勞壽命計算方法，耳片細節處在載荷作用下的疲勞壽命Ni為[2]：

當耳片結構形式保持不變時，耳片細節處的DFR及材料的Smo值為恒定不變的，影響耳片疲勞壽命的主要因素為循環應力的平均值Sm和幅值Sai。由于裝配間隙的存在，使得耳孔壁擠壓應力分布情況發生改變，大部分擠壓應力更集中于孔壁上、下邊沿處很小的一部分，導致該區域擠壓應力峰值上升，使得循環應力的平均值Smi和幅值Sai都大為升高，從而導致耳片疲勞壽命的下降。

對于耳片來說，其疲勞損傷主要發生于耳孔周邊或耳片根部過渡區域，且以疲勞開裂、應力腐蝕、疲勞腐蝕為主要形式[3]，孔邊局部應力的升高都會對其耐久性造成不良影響，這種影響在低載荷時并不不明顯，但是在承受高載荷時（如用于大型飛機各部件組裝的接頭耳片），往往導致零件局部應力大大超過了其初始設計應力值，使零件在維修周期內過早的出現裂紋，從而給維修帶來困難甚至直接影響使用安全。

3結束語

裝配間隙的存在會降低相關結構的承載能力，縮減零部件的使用壽命，特別是對重要連接部位或是不可檢查的部位埋下嚴重的安全隱患，這種影響對于非耳片結構的連接部位也同樣適用，因此在實際工程制造中應極力避免。

參考文獻

[1] 莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社，2009：29.

[2] 佚名.飛機結構耐久性及損傷容限設計手冊（第二冊）[M].西安：航空航天工業部科學技術研究院，1989：1.

[3] 佚名.民用飛機結構強度剛度設計與驗證指南（第二冊）[M].北京：航空工業出版社，2012：9.