单螺栓,单圈,变螺栓孔间隙沉头式复合关节的应力分析.doc

单螺栓，单圈，变螺栓孔间隙沉头式复合关节的应力分析 （爱尔兰利默里克大学机械、航空和生物医学工程材料和表面科学研究所(MSSI) 摘要 沉头紧固件的单圈,环氧树脂关节使用非线性有限元模型有限元分析的代码。在沉头孔边界的应力分布提供了一个详细的分析。由于制造能力的局限性,螺栓孔间隙的出现是广泛模仿。间隙水平内外典型航空拟合公差进行了研究和有限元模型与实验数据验证。沉头层压板每一层径向应力的测算表显示严重局部荷载传递,在只有几层轴承多数负载的情况下。相比整齐配合关节模型中，所示的模型中间隙的内含物导致更高的径向压力。一个相关的关节刚度的损失超过10%记录最高的间隙(240 um)。最后压缩全厚度压力显示出现在易坏的沉头孔区域,并增加螺栓孔间隙。这些压缩压力的指标横向约束,抑制“扫毛”沉头层压板的失败。 1.介绍 航空器结构螺栓接合的内含物导致局部应力集中。复合材料相对局部脆性,通常通过相比金属的有限的弯曲提供有限减压。再加上不充足的失败预测功能,会导致保守设计的复合材料螺栓接合量产生严重的结构重量惩罚[1]。 黏合的关节提供较高的结构效率,但是限制了可访问性和增加生产和维护成本[2]。优化组合螺栓关节的使用改进了建模工具，因此仍然是机身制造的优先选择。沉头紧固件是特别有利的用于很重要的皮肤结构连接处的气动效率。许多这些关节都是单圈的类型。单圈关节导致显著的浓度和相比双圈关节[3 - 5]具有较低的压力关节轴承的优点,沉头关节明显涉及高度复杂的在压制品中分布的应力。因此沉头单圈关节用于至关重要的飞机制造工业,但也有最复杂的类型需要分析。到目前为止,很少有详细研究这种类型的关节。 伊伦[6]开发了三维(3 D)有限元(FE)单圈,单螺栓复合关节的模型。这两个凸出的沉头紧固件,拥有整齐配合间隙,将模拟和实验结果进行了比较测试。FE拉紧测试表现出良好的相关性与实验应变计的结果。二次弯曲实验模型比有限元模型更大,这是归因于使用过度坚硬的线性元素。接触压力区域选取在孔边界，它使用沉头薄片层,轴承负荷的主要受力是圆柱形孔的一部分。这些区域代表接触表面节点的平均接触压力和由于厚度方向被排除在外的压力变化。修恩等[7]完成了单圈复合关节融合一个单一沉头铆钉和液体垫片层造型的FE模型。广泛的科研是必要的,以确定一个逐渐减小联系的构想。渐进破坏模型被成功用来预测接合失败,但是不提供孔边应力分布。只包括螺栓预应力发起与薄片层的联系,和螺栓孔的间隙被省略了。 机械连接,允许生产流程统计分布在紧固件直径和孔,给予螺栓孔间隙变量的增加。螺栓复合关节公差提供整齐配合或间隙配合, 一般避免了过盈配合[8]。几项研究已经进行在复合关节间隙的影响,但都没有涉及沉头紧固件。奈克和克鲁斯[9]进行了在引脚加载，环氧树脂关节变量间隙的二维(2 d)有限元分析。增加了间隙,也就增加了局部压力和孔变形。尼克和范特[8]进行了引脚加载实验和在双剪情况下环氧树脂薄片层的二维有限元模型。整齐配合间隙范围到279 um,150 um的间隙被认为是航空主结构的限制。定义4%的孔变形的承载强度,被发现去减少超大孔。凯利和海尔萨姆[10]进行了实验和三维有限元研究用非卷曲织物制成的碳纤维固化塑料(CFRP)薄片层间隙的承载强度的影响。间隙又发现了可以减少关节僵硬和轴承强度。模型被用来研究孔边界压力、径向和在孔边界的被发现显著增加间隙的全厚度压力。拉伸全厚度压力归因于全厚度层压板因为泊松效应产生的扩张。奈克和克鲁斯[9],尼克、范特[8]、凯利和海尔萨姆[10]所有人证实了一个为了增加间隙而减少接触弧的办法。较高的径向应力出现在孔的间隙配合中,由于减少了接触面积而导致刚度减小。 麦卡锡等[11]进行了试验研究间隙对刚度和单螺栓、 单圈、环氧树脂关节强度的影响。关节的尺寸导致轴承失效模式,牢固了突出和沉头紧固件。手拉紧和完全扭转关节在手指紧固螺栓代表一个最差情况(松螺栓)的场景下进行了测试。整齐配合的间隙范围为240 um或8毫米螺栓直径的3%。沉头关节最初失败在轴承负荷显著低于凸头关节。沉头关节的载荷挠度曲线通常包括一个独特的“膝盖”,对比凸头关节形成鲜明。增加间隙被发现能够减少对所有关节构型关节刚度。抵消手拉紧轴承的强度,减少凸头关节间隙,但手拉紧沉头关节没有被发现有这样的关系。麦卡锡等[12、13]对单圈、单螺栓、凸头关节进行了三维有限元研究。从麦卡锡等的结果与表面压力和关节刚度测量相比[11]。表面压力关联得很好,但与使用伸长计和线性传感器测量的试验刚度相比预测关节刚度更高。改进的模型提供更好的相关性刚度。孔周围应力与另一个更详细(120万自由度(自由度),第四阶元素)得模型相比,并显示高相关性,考虑的是相对粗糙未经提炼的