陈昊龙 韩学礼 杜 娟 董凤武
(中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司,汉中 723213)
在飞机设计中,接头对接是结构传递载荷的重要方式,实现不同结构载荷传递和分配。接头承受载荷容易产生应力集中,应力集中导致结构强度降低。由于对接接头通过螺栓装配时,螺栓与各接头会产生接触摩擦力,同时又受到其他因素的影响,导致接头与连接螺栓受力情况的不规则与复杂多边形,运用经典力学方法无法准确给出接头对接的受力特性。
有限元数值模拟法为接头对接分析提供了一种有效方法。准确合理的建模方法是获得结果的前提。本文利用ABAQUS软件对接头对接结构进行建立有限元模型研究,考虑了材料应力应变曲线的非线性,并对对接接头与连接螺栓建立面-面接触,给出对接接头进行有限元应力分析,研究接头对接时接头耳片的变形,为类似问题提供借鉴。
文中分析对接接头结构包括接头1、接头2和对接螺栓。接头1、接头2材料为30CrMnSiA(自由锻),弹性模量为210000MPa;连接螺栓的材料为30CrMnSiA,弹性模量为210000MPa。接头1、接头2和对接螺栓的极限强度σb=1080MPa,屈服强度σ0.2=835MPa。
为减少计算量和节省计算机资源,忽略螺纹的受力情况,将螺母与螺栓定义为一个零部件。接头1、接头2和对接螺栓利用ABAQUS建立装配体,并对其各部件划分网格。为保证精度,在接头1、接头2耳孔附近区域和连接螺栓采用八节点六面体线性完全积分单元,接头1、接头2其它区域采用六节点四面体线性完全积分单元。有限元模型见图1所示。
图1 有限元模型示意图
接头1、接头2和连接螺栓装配后,3个部件互相接触,在分析过程中需建立部件间的接触对。耳片外侧平面与连接螺栓螺栓头、螺帽内表面建立面—面接触,模拟螺栓夹持耳片;接头1、接头2耳孔与连接螺栓光杆建立建立面—面接触,模拟螺栓挤压耳孔。接触如图1所示。
接头1、接头2和连接螺栓接触方向为法向,硬接触,不考虑摩擦。
接头2底板螺栓孔处约束X,Y,Z三个方向的线位移;在接头1端面施加法向载荷,载荷大小为100000N。载荷方向如图1所示。
对整体模型进行弹塑性分析,得到整体结构的应力分布,其中,接头1的应力与变形云图如图2所示,接头2的应力与变形云图如图3所示,连接螺栓的应力与变形云图如图4所示。
图2 接头1的应力与变形云图
图3 接头2的应力与变形云图
图4 连接螺栓的应力与变形云图
不考虑约束与加载的影响,由图2~图4可知,接头1危险点出现在耳孔与连接螺栓接触面,其最大Mises等效应力为903.9MPa,最大变形为0.2823mm;接头2危险点出现在耳孔与连接螺栓接触面,其最大Mises等效应力为811MPa,最大变形为0.1323 mm;连接螺栓危险点出现在连接螺栓与耳孔接触面,其最大Mises等效应力为498.1MPa,最大变形为0.1605mm。
利用有限元软件ABAQUS对接头对接进行了-数值模拟分析,充分考虑了结构的接触特性和材料的非线性等特点,其计算结果能够反映结构的传力特点。通过对结果进行分析可知:耳片厚度不同,使得接头1耳片上应力较大;接头1受拉时,连接螺栓发生弯曲,使接头2产生附加载荷,引起接头2耳片向两侧张开;连接螺栓螺母与螺帽和接头2的立筋阻止耳片向外张开,导致立筋较强的一侧变形较小,另一侧变形较大。
综上,本文通过研究接头对接时接头耳片的变形,为接头的改进和类似问题提供借鉴。