鉚接連接件疲勞壽命預估

謝賽元

摘要：本文結合鉚接在城軌系統上的應用，考慮鉚接厚度、開孔尺寸等幾何尺寸對鉚釘疲勞壽命的影響，通過采用應力嚴重系數修正后名義應力方法預估鋁合金抽芯鉚釘疲勞壽命，并與實驗值進行比對分析，驗證預估模型的準確可靠。

關鍵詞：鉚接;應力嚴重系數;鉚釘疲勞壽命

0? 引言

鉚接應用于牽引系統上會成為一種趨勢，而鉚接構件長期承受承受高頻交變疲勞載荷作用，導致構件的疲勞壽命遠低于材料本身的壽命，構件的疲勞失效直接影響牽引系統的可靠性。因此研究牽引系統鉚接構件的疲勞可靠性依然成為一種必要需求。對于金屬疲勞壽命計算方法可歸結為兩類，一類是基于S-N方法，用Miner[1]損傷積累規律處理，另一類是基于斷裂力學[2]。S-N方法，從最初O.H.Basquin提出利用S-N曲線來描述疲勞行為開始，后續很多研究者在此基礎上不斷優化與改進描述S-N曲線。如，Bairstow提出一種描述S-N曲線的經驗規律，指出應力對疲勞循環數的雙對數圖在很大的應力范圍內表現為線性關系[3]。L.F.coffin和S.S.Manson提出了塑性應變與疲勞壽面之間的經驗公式，即Manson-Conffin公式[4]。

疲勞損傷評估存在大量的不確定性，控制疲勞損傷的參數可以設定為隨機變量建模。眾所周知，用于疲勞評估的傳統確定性方法在大多數情況下導致保守估計。如果不考慮所涉及的不確定性，就不能保證結構的安全。

應力嚴重系數不僅僅反映了結構連接件孔邊的應力集中程度，而且還包含了兩個影響連接件疲勞壽命的關鍵參數：即空表面加工質量和孔的裝配情況，所以它反映了結構連接件孔的疲勞特征。應力嚴重系數是一個反映結構連接件的疲勞品質的無量綱參數。在壽命估算中，將它作為當量的應力集中系數KT。為了對復雜結構的疲勞壽命分析做出更準確的估計，本文在應力嚴重系數疲勞評定方法的基礎上，獲得鉚釘的疲勞壽命曲線。并通過鉚接疲勞試驗，將試驗結果與評估結果進行對比，驗證了該方法的有效性。

1? 鉚釘連接件疲勞壽命預估

1.1 應力嚴重系數（SSF）計算

鉚接板所承載荷分為兩個部分：一部分由旁路通過，稱之為旁路載荷Ppl;另一部分通過緊固件傳走，稱之為釘傳載荷Pdc。

1.2 壽命預估

標準試樣的疲勞壽命取決于材料的性能和所施加的載荷。這種表示外加載荷和標準試樣疲勞壽命之間關系的曲線稱為材料的S-N曲線。S代表標準試樣所受的應力水平，N代表相應載荷條件下的疲勞壽命。

S-N曲線是材料處于彈性應變時，內應力與循環次數之間的關系曲線。此時，疲勞壽命通S和N的關系近似地符Basqin經驗方程：

2? 疲勞試驗

2.1 試件結構

鉚接板和鉚釘材料分別是304不銹鋼和5052鋁合金。鉚釘選用AD65，如圖1所示，鉚釘釘體直徑D為4.8mm，釘芯直徑M為2.6mm。拉伸試驗鉚接板如圖2所示，板寬為40mm，板厚為7mm，鉚接底孔4.9mm，孔居中。剪切試驗鉚接板如圖3所示，板寬為40mm，板厚為7mm，鉚接底孔4.9mm，孔居中。

2.2 疲勞試驗設計

為準確獲得疲勞試驗的載荷分級設計，疲勞試驗前對鉚接連接件進行靜載拉伸破壞試驗和靜載剪切破壞試驗，如圖4和圖5所示，確定其靜態拉伸破壞載荷值為3.916kN，靜態剪切破壞載荷值為3.572kN。

根據靜載試驗值以及已有疲勞試驗研究[5][6]，取試驗件的第一級載荷的幅值Fmax。

2.3 試驗結果對比（圖4、圖5）

3? 總結

從理論計算結果與實際試驗數據對比情況來看，基本能在一個數量級別上。對理論計算結果擬合S-N曲線并與試驗結果的S-N曲線對比。從對比結果可以看出，二者曲線走勢相同，同樣載荷下，試驗值比理論值的壽命更小。

參考文獻：

[1]Ghiocel D，Wang L.飛機結構可靠性評估的計算進展。參加：第46屆AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC結構，結構動力學與材料會議，奧斯汀，德克薩斯州，2005.

[2]施P，Mahadevan S.腐蝕疲勞及多部位損傷可靠性分析[J].國際疲勞，2003，25：457-69.

[3]姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京：國防工業出版社，2003.

[4]Fatigue reliability assessment of riveted lap joint of aircraft structures.

[5]陳福玉.航空鉚接連接件疲勞壽命研究[D].南京航空航天大學，2011.