简析装配间隙对工程制造的影响

尤天泽 戴方适 张媛

摘 要 在大型工程制造中，使用连接件进行装配连接时往往受到精度、安装条件以及零件超差等因素影响，导致被连接的零件在贴合面存在间隙，本文选取了工程制造被广泛使用的耳片连接装配方式，利用ABAQUS有限元软件模拟了装配中各个零件的接触关系，通过求解结果对装配间隙的影响进行了分析。

关键词 装配间隙;ABAQUS有限元;接触关系

大型工程机械制造中，大型结构往往是由各个部件装配而成的，因此也不可避免地会受到安装条件、精度以及零件超差等因素的影响产生装配间隙，对于修合后仍不能消除的间隙，需要在零件在贴合面增加各种形式的垫片或垫板来进行安装，这种方式虽然可以保证安装的进行，但也会对于零件的强度、疲劳寿命等方面带来很大的影响。本文使用ABAQUS有限元分析软件，真实模拟装配过程中各零件以及连接件之间的接触关系，使用非线性求解器求解得到零件接触面应力分布结果，并以此对装配间隙造成的影响进行分析。

1典型分析模型的选取

大型部件的组装中，接头耳片是其中最具代表性的安装形式，也是受载最为严重的构件之一，故对其安装质量的要求也更为严格。本文选择接头耳片为模型，分析装配间隙对其造成的影响。

本次选取的耳片结构形式如图1所示，耳片材质为铝合金牌号LD10，弹性模量为E=70560 MPa，泊松比μ=0.33，螺栓为钢质材料牌号30CrMnSiA，弹性模量为E=205000 MPa，泊松比μ=0.3。耳片的单耳与叉耳之间存在2mm间隙并使用垫板垫平。整体模型的网格划分如图2所示。

2应力结果分析

此次分析用模型仅在耳片两端进行约束及加载（见图1），其余各部分贴合面均建立接触关系并使用ABAQUS有限元软件非线性求解器进行求解分析[1]，得到单耳接头耳孔壁部位的应力分布情况如图3所示。

由求解结果看出，正常无间隙装配时，螺栓与耳孔的贴合良好，螺栓的挤压应力沿孔壁均匀分布。而当存在装配间隙时，导致了螺栓在受载时出现了更大的弯曲变形，导致螺栓与孔壁的接触面积减小，使螺栓对耳孔孔壁的挤压应力分布不均匀，靠近孔壁上、下边沿处的应力较高。根据DFR法耳片疲劳寿命计算方法，耳片细节处在载荷作用下的疲劳寿命Ni为[2]：

当耳片结构形式保持不变时，耳片细节处的DFR及材料的Smo值为恒定不变的，影响耳片疲劳寿命的主要因素为循环应力的平均值Sm和幅值Sai。由于装配间隙的存在，使得耳孔壁挤压应力分布情况发生改变，大部分挤压应力更集中于孔壁上、下边沿处很小的一部分，导致该区域挤压应力峰值上升，使得循环应力的平均值Smi和幅值Sai都大为升高，从而导致耳片疲劳寿命的下降。

对于耳片来说，其疲劳损伤主要发生于耳孔周边或耳片根部过渡区域，且以疲劳开裂、应力腐蚀、疲劳腐蚀为主要形式[3]，孔边局部应力的升高都会对其耐久性造成不良影响，这种影响在低载荷时并不不明显，但是在承受高载荷时（如用于大型飞机各部件组装的接头耳片），往往导致零件局部应力大大超过了其初始设计应力值，使零件在维修周期内过早的出现裂纹，从而给维修带来困难甚至直接影响使用安全。

3结束语

装配间隙的存在会降低相关结构的承载能力，缩减零部件的使用寿命，特别是对重要连接部位或是不可检查的部位埋下严重的安全隐患，这种影响对于非耳片结构的连接部位也同样适用，因此在实际工程制造中应极力避免。

参考文献

[1] 庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社，2009：29.

[2] 佚名.飞机结构耐久性及损伤容限设计手册（第二册）[M].西安：航空航天工业部科学技术研究院，1989：1.

[3] 佚名.民用飞机结构强度刚度设计与验证指南（第二册）[M].北京：航空工業出版社，2012：9.