螺栓孔垂直度对螺栓承载能力的影响分析

赵秀峰，彭 芳，郑茂亮，陈小刚，王成文

(中航工业一飞院，陕西 西安 710089)

1 引 言

飞行器设计中，结构与结构之间的连接是非常重要的设计环节之一，通常使用的连接形式有螺栓螺接、铆钉铆接以及通过树脂等材料进行胶接等。其中，螺栓连接因具有高可靠性、高承载性、易于检修等优点而得到广泛的应用[1]。因此，螺栓失效是飞机连接失效的主要模式之一，其危害很大[2]。然而，在制孔和安装过程中的几何误差、初始损伤、孔轴配合误差以及螺栓紧固力偏差等会影响螺栓的实际承载能力[3]。

目前，针对螺栓孔轴配合间隙和螺栓紧固力对螺栓承载能力影响的研究较多(如Kelly等研究了孔轴配合间隙对螺栓承载能力的影响，研究表明，孔轴配合间隙是紧固件强度设计的重要因素之一[4])，但对于螺栓孔垂直度对螺栓承载能力影响的研究则稍有欠缺。整体成型后结构比较复杂，在制孔过程中又可能出现螺栓孔垂直度偏差[5]，因此进行螺栓孔垂直度对螺栓承载能力影响的研究就显得尤为重要。

本文通过对不同垂直度下安装螺栓进行拉伸试验，并结合数值仿真，研究了垂直度偏差对螺栓承载性能的影响。

2 拉伸试验

设计非标试验，对0°、1.5°、2°、2.5°、3°等5种不同垂直度螺栓孔偏差角度下螺栓的承拉能力进行分析。试验采用两个T形零件背靠背组成，两个螺栓孔的轴线与单耳片面的夹角度数一致，每种安装角度试验件共3件。试验设计如图1所示，拉伸试验结果见表1，螺栓断裂如图2所示。

图2 螺栓断裂图

表1 螺栓拉伸破坏载荷试验结果

图1 不同垂直度下螺栓拉伸试验设计

试验结果表明，随着螺栓垂直度偏差增大，螺栓的承载能力急剧降低，这是由于螺栓孔垂直度偏差会造成螺栓在装配预紧力作用下产生较大的附加弯矩，在工作应力复合作用下导致螺栓发生提前破坏。

3 数值分析

结合试验，建立螺栓孔垂直度偏差0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°时相应的弹塑性有限元模型，对不同垂直度下安装的螺栓进行数值仿真分析，进一步对比分析垂直度对螺栓承载能力的影响，典型模型如图3所示。分析模型中，在螺栓头与结构、螺母与结构、螺栓与孔壁、两连接结构之间建立接触关系，螺母与螺栓建立粘接关系。

图3 不同垂直度下螺栓连接模型

从图3可以看到，由于存在垂直度偏差，会造成螺栓装配的单边贴合。在拉伸时产生的附加弯矩作用下，螺栓头和螺母与结构对角贴合方向存在严重的应力集中现象。螺栓螺纹收尾处为高应力区，这与拉伸试验的螺栓断裂位置一致，3°偏差时螺栓数值分析结果如图4所示。

图4 3°偏差时螺栓数值分析结果

对螺栓孔垂直度偏差0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°时螺栓的承拉能力进行分析，得到螺栓相对承拉能力，如表2所示。可以看出，在螺栓孔垂直度偏差角度大于2.5°后，螺栓承载能力已降低至74%。由于螺栓预紧力通常是螺栓许用拉力的0.5～0.7倍，可以认为，螺栓孔垂直度偏差2.5°以上时，螺栓已丧失承载能力。

表2 不同偏差角度下螺栓承拉能力

根据表1给出的试验结果，可以得到螺栓承载能力随垂直度的变化曲线，如图5所示。从图5可以看出，螺栓孔垂直度偏差会影响螺栓的承载能力。当垂直度偏差在1.5°以内时，螺栓承载能力下降幅度较小；当垂直度偏差大于1.5°之后，螺栓承载能力急剧下降。

图5 螺栓承拉能力与垂直度偏差角度关系曲线

4 结 论

从理论分析和试验结果可以看出：当垂直度偏差在1.5°以内，螺栓承载能力下降幅度较小；当垂直度偏差大于1.5°之后，螺栓承载能力急剧下降；当垂直度偏差达到2.5°左右时，螺栓已丧失承载能力。因此，在工程实际中，应对螺栓孔垂直度进行严格控制，以保证实际使用安全。