飞机结构多钉连接有限元计算与分析

多钉连接是飞机零部件的常用连接方式,而飞机结构的破坏也多源于这些连接细节,确定各紧固件所传递载荷是连接件强度校核的关键。基于MSC．NASTRAN有限元分析软件,用四种简化模型计算分析单搭接多排钉连接结构的钉载分配,并对其进行对比研究。结果表明：采用cBAR／RBAR／cBusH组合单元模拟紧固件可准确计算钉载,适于飞机结构连接强度分析;与紧固件组钉载分配工程估算方法相比,采用该组合单元有限元方法可有效提高计算精度。     

考虑间隙和拧紧力矩的复合材料钉载分配均匀化方法

一种通过调整钉-孔间隙和拧紧力矩改善复合材料多钉连接钉载分配不均匀性的方法被提出。首先，基于改进的钉载分配测量方法测量各钉承载比例，采用SPSS软件得到各钉载比例的多元线性回归函数，并以钉-孔间隙和拧紧力矩为设计变量，建立多钉连接钉载分配的线性优化模型。然后，采用单纯形算法对优化模型进行求解，得到优化解。最后，以三钉单剪连接为例，对比计算和试验测量结果。结果表明：求解结果与试验测量结果吻合度较高；优化后，最高钉载比例从36.06%降低到33.45%；三钉单剪连接结构承载能力提高约10.8%，且改善结构失效形式为钉-孔挤压失效。     

复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验,并建立了三维有限元模型,编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序,计算了连接孔的挤压应力和接头损伤,预测了连接的失效载荷。数值计算表明:单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布;孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限载荷与试验结果吻合;位于搭接板自由端的钉孔弯曲变形较小,应设计为沉头孔。     

基于有限元法的复杂连接件结构疲劳特性的确定

紧固连接是飞机中重要的结构连接形式，对于含大量紧固件的复杂连接或单、双剪混合连接结构，使用解析法准确地计算其内力分布非常困难。结合工程实例介绍一种基于有限元法的复杂连接结构疲劳特性的确定方法，通过有限元分析确定结构中的内力分布与钉传载荷，使用工程疲劳分析方法确定结构细节处的疲劳特征值DFR和可靠性寿命。     

复合材料层板钉群连接载荷分配计算方法研究

采用有限元方法对复合材料层板钉群机械连接载荷分配进行了研究,考虑钉弹性与层板厚度的影响,文中针对两种计算钉群载荷分配的工程化计算模型进行了对比分析,指出本文所采用模型的合理性,并以单排三钉为例通过计算结果与试验结果对比,证明本文所提出的计算模型有效,且计算精度高,使用方便.本文研究了搭接形式以及钉间距对钉载荷分配的影响,并对航空结构中常见的几种规则与非规则排列钉群连接载荷分配进行了分析计算与研究,得出的结论为复合材料层板多钉连接设计提供了有用的工程参考价值.     

单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接件挤压强度研究

由于连接技术是复合材料连接结构设计中的关键环节,所以本文通过试验研究了干涉配合对复合材料单钉双剪连接件挤压强度的影响作用,并建立了能预测复合材料连接件挤压强度的三维有限元数值模型.该模型考虑了钉孔接触、渐进损伤以及大变形理论,并采用了Hashin失效判据以及Tan材料性能退化准则,研究了不同干涉量(0％,0.5％,3％)配合方式对连接强度和刚度的影响作用.结果表明适量的干涉能提高连接挤压强度,而3％的过量干涉配合降低了连接挤压强度,却有较高的挤压弦向刚度,与试验结果相比,吻合较好.     

考虑钉头传载的阶梯搭接钉载分配特性

确定钉载分配比例是机械连接强度分析的基础和关键,也是研究孔周应力分布的前提。以某型飞机铝合金阶梯形搭接板螺栓群连接结构为研究对象,利用应变电测法初步测量了各排螺栓的钉载分配比例。随后通过ABAQUS有限元三维实体建模,考虑钉头传载及接触摩擦、螺栓预紧、材料非线性、防弯夹具等因素,对螺栓群的钉载分配行为进行了模拟。计算发现：阶梯形搭接板多钉连接的钉载分配比例呈两端大中间小的规律,且台阶高度是影响钉载分配比例的重要因素。在此基础上,进一步研究了台阶高度对钉载分配均匀性的影响。分析结果表明：阶梯形搭接板多钉连接处于弹性范围以内时,随着台阶高度的增加,钉载分配趋于均匀;结构产生塑性变形后,随着台阶高度的增加,钉载分配先趋于均匀后随之变差。最后,基于钉载分配与孔边最大应力,对阶梯搭接多钉连接的几何构型进行了优化。优化后阶梯搭接的钉载分配比例极差不超过1.1%,最危险部位的孔边最大应力及螺栓最大剪切应力分别减小了约4.4%与10.2%。     

复合材料层合板多钉连接的紧固件连接柔度

复合材料层合板多钉连接结构中螺栓紧固件连接柔度随钉排数增加而变化。为了阐明多钉连接紧固件连接柔度与单钉连接紧固件连接柔度的差异并建立多钉连接紧固件连接柔度的计算方法,进行了ZT7H/5429复合材料层合板螺栓连接结构拉伸试验和紧固件连接柔度解析求解;研究了旁路载荷对紧固件连接柔度的影响规律并提出了旁路载荷伴随下紧固件连接柔度的计算公式;针对紧固件连接柔度取值与分析模型的相关性,构建了描述钉间层合板柔度偏差的模型适应函数并提出了面向分析模型的紧固件连接柔度修正公式;对1列5钉连接结构进行了钉载计算。结论表明：采用所建立的修正公式对紧固件连接柔度修正后,使得梁-壳有限元模型的钉钉载最大计算误差由16%减小至3%,钉载峰值的计算误差由11%减小至2%,实现了准确且快速的钉载计算,尤其适合大规模复合材料层合板结构钉群连接区的工程应用。     

金属和复合材料多钉连接钉载分配研究

本文针对金属一复合材料多钉连接件的载荷分布进行试验研究和数值分析.首先,通过应变电测法测量了一列三螺栓双剪连接件的钉载分配比例,揭示出该比例随载荷变化的现象和特征.然后,建立了考虑多面接触的三维实体有限元模型,在计算分析中考察钉一孔间隙分布、预紧力和摩擦对钉载分配的影响规律.计算结果表明:初始间隙是影响钉载分配比例的最...     

刚度比对复合材料多钉连接钉载分配影响研究

通过试验和有限元分析研究被连接元件的相对刚度对多钉双剪连接钉载分配的影响。对2种厚度层压板各研究了4种刚度比情况,对每种情况都用3种有限元模型进行了钉载分配的计算,计算结果与试验结果符合较好。得出的结论可以用于复合材料结构的设计。     

M5复合材料螺栓的设计与试验

为解决机械连接过程中金属紧固件与复合材料结构热膨胀不匹配问题,开展了复合材料螺纹紧固件研制。通过分析比较,选择了合适的树脂体系,并对成型工艺方法进行了研究,研制了M5复合材料螺纹紧固件。同时创建了数值仿真分析模型,对紧固件力学性能进行了预示。试验结果表明:复合材料紧固件性能满足设计要求,并成功研制出了复合材料螺纹紧固件,扩大了树脂基复合材料结构的应用范围。     

基于损伤权重的混合多钉连接件疲劳寿命预测方法

复合材料与金属材料混合多钉连接形式是当代飞机结构中最常见的连接形式,因此对于混合多钉连接件疲劳性能的研究有助于提高对飞机结构疲劳损伤的认知。针对以Ti-6Al-4V钛合金为螺栓的ZT7H/QY9611碳纤维增强树脂基复合材料连接板与30CrMnSiNi2A金属连接板混合多钉连接结构进行数值分析和试验研究。利用有限元方法,分别对复合材料和紧固件进行疲劳损伤预测,估算复合材料连接板上螺栓孔附近的损伤,依据复合材料和紧固件的损伤量所占权重,提出了以紧固件分布和复合材料连接板铺层层数为参数的经验公式,进而有效提高混合多钉连接结构疲劳寿命的预测精度。利用试验结果将螺栓孔损伤形式进行分类讨论,探索混合多钉连接件的损伤演化方式;利用C扫描技术得到复合材料分层损伤结果,与模拟结果进行对比分析,进一步解释了模型的合理性。与试验结果对比可以看到,考虑损伤权重的寿命预测值与试验值的对数误差仅为1.1%,相对于不考虑损伤权重方法的8.4%的对数误差,该模型寿命预测精度显著提高。     

Ω型加筋壁板连接结构在拉伸载荷下的破坏研究

考察机身收缩段的复合材料Ω型加筋壁板前段和后段连接结构在拉伸载荷下的承载能力,开展了拉伸破坏试验研究。试验件为壁板与框呈75°夹角的倾斜结构,试验考核了加筋壁板、连接框、连接角盒和紧固件的应变水平、试验件的载荷-位移曲线和破坏载荷。试验结果表明,Ω型加筋壁板前后段连接结构在拉伸载荷下,角盒和框的连接处的紧固件以及框的转角处最先发生破坏。试验结果可作为飞行机身复合材料结构连接的设计和评定依据。     

复合材料-钛合金混合结构多钉连接钉载分布及有限元计算

连接部位通常是复合材料结构强度的薄弱环节,复合材料的多钉连接由于存在钉载分配不均匀性而 降低了其连接的强度,因此确定钉载分布规律及其影响因素对提高多钉连接的传载效率具有重要意义。以复 合材料-钛合金混合结构为研究对象,分析凸头、沉头两种紧固件连接下复合材料板间共固化、胶接和分离三 种装配形式的钉载分配特性以及不同装配形式对钉传载荷的影响;利用应变电测法测量连接区钉孔的应力分 布;采用 ABAQUS软件建立三维有限元实体模型,对钉群的钉载分配行为进行仿真分析及试验验证。结果表 明:除沉头铆钉复合材料板共固化连接件的钉载分配呈加载端至支反端逐渐递减的阶梯状外,其他各形式连接 件的钉载分配皆呈两边高、中间低的浴盆状,仅各排钉载所占比例有所区别;复合材料板分离件各排钉载差距 最大,胶接件次之,共固化件差距最小。     

紧固件刚度不同对连接部位疲劳寿命影响的研究

在航空器结构修理中，由于受施工条件限制或结构原连接状态的限制，可能会在修理加强件与原结构件之间的连接部位，混合使用不同剪切刚度的紧固件。本文通过疲劳寿命计算和试验，研究了结构连接部位的紧固件剪切刚度不同，对疲劳寿命的影响。研究结果表明，结构件之间的连接部位混合使用不同剪切刚度的紧固件，将会比较明显地降低结构连接部位的疲劳寿命。该研究成果对航空器结构设计人员和修理人员均具有一定的参考价值。     

单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接结构的疲劳性能研究

通过疲劳试验研究了单面螺纹抽钉干涉配合复合材料连接结构的疲劳性能,分别考虑了紧固件类型、干涉配合量、搭接板材料及铺层次序等影响因素。采用了拉压疲劳试验,拉压比R=-1,循环应力水平则根据静载极限挤压强度值选定。根据疲劳试验循环应力和疲劳寿命曲线(S-N曲线),得到了不同影响因素对疲劳寿命的影响规律。结果表明,选择适当的干涉配合量、紧固件类型及搭接板均能提高结构的疲劳寿命,4种不同主板铺层次序均对结构疲劳寿命影响不大。     

复合材料结构用紧固件及机械连接技术

先进树脂基复合材料具有的较多优点使其在先进飞机上的使用量越来越大,但是由于材料本身结构特性的原因,使得复合材料结构在连接、装配、使用中易产生一系列问题,针对复合材料的特点及连接和使用中存在的问题,系统地阐述了复合材料结构使用的紧固件用的材料、各种结构用先进紧固件类型以及连接中需解决的具体技术问题。     

基于数值仿真的飞机雷电流传导通路评估方法

飞行器的雷电防护设计和验证是保障飞行员及飞机安全的必要措施,尤其是随着雷电防护能力较差的复合材料广泛应用。复合材料对雷电流的传导能力远弱于金属,需要为雷电流传导提供额外的通路。本文从国内相关研究极少提及的飞机内部结构电磁建模出发,提出一套飞机内部结构的电磁建模及精度控制方法;构建 F22 飞机左机翼到右机翼的内部金属结构作为雷电流传导通路,基于通用电磁仿真软件进行飞机雷电间接效应仿真;对复合材料蒙皮、金属网蒙皮、金属网蒙皮加内部金属结构三种情况下飞机内部的电磁场及线缆耦合仿真结果进行对比。结果表明:合理的雷电流传导通路设计能够使飞机内部线缆感应的电流强度减半,起到良好的雷电防护效果;该评估方法适用于固定翼飞机的雷电流传导通路设计,能够作为飞机机载设备雷电间接效应试验指标分配的参考依据,便于定位飞机雷电间接效应防护的薄弱环节。