基于Abaqus的预紧力对航空器用螺栓强度影响的有限元分析＊

张宁，郭辛，程思晗



基于Abaqus的预紧力对航空器用螺栓强度影响的有限元分析＊

张宁，郭辛，程思晗

（中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300）

为了探究不同预紧力大小对螺栓紧固件结构强度及疲劳寿命的影响规律，基于Abaqus仿真平台，建立螺栓组件的有限元模型，开展不同预紧力的螺栓强度分析。结果表明，对于受剪螺栓，随着螺栓预紧力的增大，被连接件孔边Mises等效应力也呈线性增大，孔边平均摩擦接触应力不断变小，而孔边平均压应力水平不断变大。

有限元分析；螺栓；预紧力；切向载荷

螺栓连接在飞机结构连接中占有重要地位，螺栓虽构造简单，但受力机理复杂。建立合理的航空器用螺栓计算模型，分析螺栓部件的受力及破坏方式，不仅对航空器的飞行安全有积极意义，还对制订航空器检修策略具有指导意义。

1 部件模型

螺栓组件由螺栓、螺母、基体与构件组成。螺栓预紧力形成构件与基体间的夹紧力，这里的夹紧力为摩擦力的正压力。在有限元模型中，省略螺母，忽略螺纹的影响，建立如图1所示的螺栓有限元模型。

图1 螺栓组件的CAD建模情况

其中，构件厚度设为2 mm，螺栓孔的直径设为14.1 mm；基体模型采用14 mm×30 mm×40 mm。根据疲劳试验试样，螺栓、基体和构件材料的属性如表1下所示。

表1 螺栓、基体和构件材料的属性

材料属性材料弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa屈服强度/MPa 螺栓2100.31 280940 基体、构件1900.31 280940

2 有限元计算

选用拉格朗日乘子法作为接触计算方法[6-7]，将螺栓头部与构件接触面和构件与基体接触面定义为摩擦系数为0.29的小滑移切向摩擦接触。在构件伸出端平面定义了大小为110 MPa的表面载荷，即切向载荷。有效螺栓预紧力范围在40～80 kN之间[1-2]，分别考虑40 kN、45 kN、50 kN、55 kN、60 kN、65 kN、70 kN、75 kN、80 kN 9种工况下的应力情况。约束基体伸出端平面全部6个自由度，完全固定。网格划分时，采用C3D8R八节点线性六面体缩减积分单元进行网格划分，均采用中性轴算法，采用扫掠的方法自动划分网格。

3 结果分析

3.1 不同预紧力情况下孔边的应力分析

随着装配预紧力的不断线性增加，最大Mises应力、平均Mises应力均呈线性增加，随着预紧力的增加，孔边最大应力从1 153 MPa增加到2 285 MPa，且预紧力施加对孔边应力产生较大的影响，造成孔边较大的应力集中，如图2所示。由于施加螺栓预紧力的影响，最大应力出现在构件孔边，如图3所示；沿着切向方向，从孔边至构件边缘，随着距离的增大，应力不断变小，在距离一段后，应力下降缓慢。由此可以看出，较大的螺栓预紧力使螺栓孔附近产生较大的应力集中。

图2 不同预紧力下，孔边最大Mises应力和平均Mises应力情况

图3 Mises应力随距离的变化

注：Up side max CShear指上孔边最大接触应力；Down side max CShear指上孔边最大接触应力；Up side mean CShear指上孔边平均接触应力；Down side mean CShear指下孔边平均接触应力。

3.2 不同预紧力下接触应力分析

图4为不同预紧力下构件接触应力情况。

这里接触应力为切向载荷方向的接触应力（CShear1），指定切向载荷方向为正方向。在施加预紧力的情况下，上孔边（与螺栓头部接触的构件面）的最大接触应力与平均接触应力方向均与切向载荷方向一致，且最大接触应力随着螺栓装配预紧力的不断线性增大而增大，上孔边最大接触应力也不断线性增大；而上孔边的平均接触应力随着螺栓装配预紧力的线性增大而呈线性减小。下孔边（与基体表面接触的构件面）的最大接触应力与平均接触应力方向均与切向载荷方向相反，且最大接触应力大小随着螺栓装配预紧力的不断线性增加而线性变大，平均接触应力大小随着螺栓装配预紧力的不断线性增大而线性下降[4-5]。

4 结论

本文首先介绍了螺栓紧固件有限元模型的建立，根据疲劳试验模型进行简化建模，在Abaqus有限元分析软件中计算出应力、应变情况。经分析，得到如下结论：①在110 MPa切向载荷一定的情况下，随着螺栓预紧力的不断线性变大，构件孔边最大等效应力（Mises应力）不断线性变大；但螺栓预紧力仅在孔边附近产生较大的影响，对于远离螺栓孔边区域，应力值并没有发生较大变化。②随着螺栓预紧力的不断线性增大，上孔边的最大接触应力大小、下孔边的最大接触应力大小均不断线性增大，但上下孔边平均接触应力大小均不断线性下降，说明随着预紧力的不断变大，螺栓紧固件受外载荷的影响不断减小。

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中央高校基本科研业务费专项资金项目（编号：3122014H002）

2095－6835（2018）18－0030－02

V26

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.030

〔编辑：刘晓芳〕