单侧机加凸台与加强板对开孔金属板剪切稳定性影响对比分析

周松官

（上海飞机设计研究院，上海 200232）

0 引言

带开孔的板结构十分常见，例如为方便检查和维修而开的维修口，为方便系统管路通过而开的管路过孔，以及为观察或人员通过而开的窗门等，这些开孔是为满足各种功能要求所必须的，但是开孔导致结构在使用过程中容易产生裂纹，因此通常需要对开孔结构进行补强，使开孔结构满足设计要求。

平板开口补强形式通常根据结构受载大小进行选择，一般分为2种情况：小载荷和大载荷。对小载荷情况，可使用45°翻边孔、90°翻边孔或卷边孔等形式进行增强；对大载荷情况，可使用口框或加强板等形式进行补强。本文主要对单侧加强板和单侧机加凸台补强进行分析，得到这两种补强方式效果的差异。

1 计算模型

1.1 建立基本模型

开孔板尺寸为400mm×400mm×5mm，开孔直径126mm，机加凸台和加强板宽度为53mm，厚度5mm。通过软件Patran，开孔板和加强板使用shell单元，紧固件使用Fastener单元，分别建立未加强开孔板、单侧机加凸台补强开孔板、单侧加强板（单倍螺栓）补强开孔板和单侧加强板（双倍螺栓）补强开孔板有限元模型，为方便查看各模型的差异，将Shell单元显示成3D模式，具体模型如图1～图4所示。

图1 未加强开孔板模型

图3 单侧加强板（单倍螺栓）开孔板模型

图2 单侧机加凸台开孔板模型

图4 单侧加强板（双倍螺栓）开孔板模型

1.2 材料属性

材料基本性能参数见表1。

表1 材料基本性能参数

1.3 位移约束和载荷

开孔板4边限制面外位移，固定一角节点，同时限制其附近对角线上一节点面内位移（目的是避免计算时出现约束不足）。开孔板4边加剪切载荷。位移约束和载荷情况见图5。

图5 单侧加强板（双倍螺栓）开孔板模型

2 计算结果和分析

通过有限元软件Nastran计算，得到4种模型的1阶线性屈曲模态见图6～图9，同时得到各模型发生屈曲失稳时的载荷系数（即特征值）及对比结果见表2。

图6 未补强开孔板屈曲模态

图7 机加凸台补强开孔板屈曲模态

图8 加强板（单倍螺栓）补强开孔板屈曲模态

表2 屈曲失稳载荷汇总

屈曲模态图表明孔边加强使结构变形向孔边集中，即孔边加强部分承担了更多载荷。表2数据表明：含机加凸台的结构发生剪切失稳时的载荷系数最大，补强比明显高于补强板结构；有双倍紧固件加强板的结构，其发生剪切失稳时的载荷系数和补强比都稍高于单倍螺栓加强板的结构。

3 结论

本文通过有限元软件Patran和Nastran分析单侧机加凸台和单侧加强板补强对开孔金属板的剪切稳定性影响，得到以下结论。（1）单侧机加凸台对开孔板剪切稳定性的增强效果优于加强板补强。（2）连接开孔板和加强板的紧固件数量越多，对开孔板剪切稳定性的增强效果越好。

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