金属结构紧固件孔短边距对孔边应力影响研究

翟斌 邹建胜 杨子伟 吴铁锋

【摘 要】对于紧固件连接结构，短边距是常见制造偏离。为了更准确评估短边距情况下结构强度特性，本文基于常见结构，通过数值模拟研究了短边距情况下孔边应力变化规律，对比了数值仿真结果与工程评估方法差异，为短边距情况强度快速定量评估提供了理论指导。

【关键词】短边距；制造偏离；有限元分析

中图分类号： V262.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0072-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.031

【Abstract】For fastener connection structures， short edge distances are common manufacturing deviations. In order to evaluate accurately the structural stress under short edge distances， numerical simulation is carried out to study the stress at the edge of fastener hole based on the common structure. The difference between numerical simulation results and engineering evaluation methods is compared. The paper could provide theoretical knowledge for rapid assessment of structural stress under short edge distance.

【Key words】Short edge distance；Manufacturing deviation；FEM

0 前言

短边距制造偏离一般指紧固件的边距小于两倍孔径或小于图纸要求的情况，发生原因有很多种，如制孔位置错误，紧固件孔径偏离，装配公差累积及零件边缘损伤等，是结构装配过程中经常面临的问题。短边距可能会导致结构剪切破坏或拉伸破坏，并且会增加应力集中，导致疲劳性能下降，甚至会影响损伤容限性能[1-2]。

短边距偏离处置时，首先应进行受力分析，判断结构受载方向与短边距相关边缘方向的关系。然后通过经验公式偏保守地计算出结构的剪切破坏承载能力和拉伸破坏承载能力，据此可判断结构是否会发生剪切破坏或是拉伸破坏。同时，还应考虑短边距偏离是否位于疲劳或损伤容限细节危险部位，评估其对结构疲劳强度和损伤容限性能的影响。最后综合评估短边距处置方案是否引会起其它偏离，是否会对零组件的正常定位、装配产生后续影响。短边距通常分为两类，即受载方向与短边距相关边缘方向垂直的状态和受载方向与短边距相关边缘方向平行的状态，如图1所示。

1 几何模型

相同短边距情况下，受载方向与短边距相关边缘方向垂直的状态结构承载能力要弱于载方向与短边距相关边缘方向平行的状态情况。本文选取拉伸情况下单剪结构不同短边距程度对结构应力分布影响规律，几何模型如图2所示。

根据几何示意图2，考虑到模型的对称性建立有限元模型如图3（a）所示，网格划分如图3（b），采用C3D8R进行计算分析。模型主要参数如下：基体材料2024-T3，板厚1.6mm，高锁紧固件（HST10AG5）干涉量1%[3]，紧固件边距依次为1D、1.25D、1.5D、2D。

具体分析过程（紧固件为钛高锁）如下：

（1）给模型施加一个很小的螺栓预紧力，同时定义一个临时边界条件（施加很小的荷载），使模型平稳地建立接触关系。

（2）移除临时边界条件，把螺栓预紧力的值改为需要设置的值。

（3）移除临时边界条件，把上一分析步中的螺栓预紧力改为保持当前螺栓长度，计算螺栓干涉。

（4）保持螺栓载荷为固定当前螺栓长度，施加实际荷载，使模型在实际工况下工作。若紧固件为铝铆钉（不考虑螺栓预紧力），则在上述分析过程中去掉第一个和第二个分析步。

2 结果分析

图4（a）和（b）则分别为上层板TL和下层板BL（Bottom Layer）的應力S11加载后应力云图，取下层板进行分析。

为了更准确地反映不同短边距对孔边应力的影响，在五种不同短边距模型的BL上定义了一条沿最小横截面的直线，同样因为模型的对称性，所以取两段直线分别是AB和CD（A、D分别表示的是模型中的孔边位置），如图5所示。最小路径上输出应力S11的变化趋势如图6（a）、图6（b）所示。

3 结论

短边距方向与载荷方向垂直情况下，工程评估方法根据图7的受力分析[4-5]，与紧固件相应的结构拉伸破坏承载能力FT=σTU×2C×t，其中σTU为结构材料的极限拉伸强度，t为材料厚度，C为钉孔净边距。

将FT与紧固件的剪断许用值FA进行比较，若FT≥FA，则结构不会发生拉断破坏，否则应分析出紧固件实际承受的载荷以确定边距是否满足静强度要求。紧固件孔边距从2D变为1D时，结构承载能力FT减（下转第80页）（上接第73页）小66.7%，从图6（a）可以看出，随着边距的增大，上排紧固件孔边A和自由边界处B的应力S11随之下降，最大分别为70%和23.4%，A、B处应力水平变化比率不一致是由于材料未完全进入塑性，而A处应力水平变化与工程评估方法相当，模型结果可解释当前工程评估方法。从图6（b）可以得知，短边距的变化对中间排紧固件孔C的应力S11基本没有影响，这可以用圣维南原理来解释，上排紧固件孔处D的应力S11随着短边距的增大而减小，最大减小了67.6%。综上，结构的应力S11分布与短边距的变化成反比。

【参考文献】

[1]FAR25 Airworthiness Standards：Transport Category Airplane[S].

[2]朱明华.飞机制造中几种常见超差问题的处理方法[J]. 军民两用技术与产品，2017（8）.

[3]姜杰凤，董辉跃，柯映林.高锁螺栓干涉连接中极限干涉量[J].机械工程学报，2013，49（3）：145-152.

[4]《飞机设计手册》总编委会编.飞机设计手册-载荷、强度和刚度.航空工业出版社.2001.12.

[5]《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》编委会编.民机结构耐久性与损伤容限设计手册（上册）.航空工业出版社.2003.6.