飞行器径向连接螺栓振动断裂分析

应用有限元分析结合试验数据,获得随机振动环境下飞行器径向连接螺栓的载荷功率谱密度（PSD）;采用基于弯曲效应的载荷与应力的线性关系,获取螺栓头根部的名义应力功率谱密度;基于Dirlik经验公式,获取应力随机过程的峰值概率密度函数和预期波峰数,联合Miner线性累积损伤模型及经应力集中系数修正的材料S-N曲线,评估径向连接螺栓头根部振动疲劳寿命,获得的结果与试验螺栓头断裂现象符合,并确定螺栓断裂原因为低频共振疲劳。     

机翼下壁板螺栓连接件疲劳寿命分析

建立三维实体模型,设置面面接触,并施加螺栓载荷来模拟预紧力来模拟螺栓连接。计算得到某型飞机机翼下壁板螺栓连接试验件的应力云图,分析得出受力最严重部位。通过名义应力法计算该连接件的疲劳寿命。运用MATLAB拟合生成理论应力集中系数为3.720 2下的S-N曲面,从而计算出各级载荷下的疲劳寿命和损伤。根据M iner线性累积损伤准则计算出了连接件的疲劳寿命,与传统的板杆单元应力严重系数法的计算结果以及实验结果进行了对比,发现疲劳寿命计算结果吻合较好。     

带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的有限元计算分析

主要对带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的三维应力进行计算分析。通过计算分析发现 ,带孔复合材料板在受单向拉伸时 ,在相同载荷 (面应力 )作用下 ,复合材料板的厚度对板的强度影响不大 ,随着厚度的增加 ,板上最大应力值变化不大 ;对于带孔板而言 ,孔的形状对孔周边应力集中程度影响比较大 ,孔为椭圆孔 ,并且长轴方向与载荷方向平行时 ,孔边应力集中程度比较小 ;而当椭圆的短轴与载荷方向平行时 ,应力集中程度最大 ;孔为圆孔时 ,应力集中程度介于上面两种形状之间。对于多孔复合材料板计算发现 ,多孔板在受拉作用下 ,各个孔周围应力分布与孔的位置有关 ,在距离板边沿越近的孔 ,其周围最大等效应力值越大 ;对螺栓连接板而言 ,螺栓的材料参数对板的应力分布影响不大 ,板上最大应力都位于孔的右端稍偏下位置 ;螺栓连接复合材料板在相同的载荷作用下 ,板上最大等效应力值随螺栓的弹性模量的增大也相应增大     

不同预紧力分散度条件下螺栓止口连接组件有限元分析

螺栓止口连接是航空发动机中常见的连接形式,在现有工艺技术条件下,螺栓预紧力往往存在较大分散性,加剧了航空发动机力学性能的波动。利用ANSYS Workbench有限元软件对不同预紧力分散度条件下的螺栓止口连接结合面Von Mises等效应力分布及组件刚度进行了仿真计算。按照工程经验设置了5组预紧力分散度值,并针对每组分散度随机生成一组对应的螺栓预紧力数值,实现对工程实际中预紧力分散度情况的模拟。然后分析了结合面的应力分布情况,通过对组件分别施加轴向载荷、径向载荷和扭转载荷,获得了组件轴向刚度、径向刚度、扭转刚度变化曲线,最终得到预紧力分散度对螺栓止口连接组件刚度的影响规律,为预紧力分散度的控制提供了理论参考依据。     

复合材料层合板单搭接机械连接横向力研究

在复合材料单搭接连接结构中,由于载荷的偏心作用,在搭接处产生沿板厚度方向的横向力,使得接头产生横向位移并使螺栓偏转。采用试验及有限元方法对复合材料双钉单搭接机械连接中螺栓、螺母在静载荷作用下的应力进行研究,并进行结果分析。结果表明:单搭接中偏心矩在螺栓上的螺纹位置产生较大的应力,使螺栓发生断裂破坏;在螺母中产生较大的弯曲应力,使螺母发生破坏;在连接区两端对层合板施加横向约束能够有效降低螺栓、螺母中的应力幅值;计算结果与试验破坏模式吻合。     

一种耳片连接螺栓的疲劳分析方法

航空工业生产实践和试验结果表明,承受拉应力连接螺栓疲劳源的位置易出现在螺纹区和螺栓头圆角区,而承受剪切力的连接螺栓疲劳源的位置可出现在螺栓的光杆区。基于细节疲劳额定值方法对以承受剪切力为主的耳片连接螺栓进行应力分析,提出了一种耳片连接螺栓的疲劳分析方法。分析结果表明,耳片连接螺栓最高应力点位于螺栓光杆区剪切力产生的弯矩最大的截面上。以某型飞机的耳片连接结构进行疲劳试验,试验结果与分析结果相吻合,耳片连接螺栓光杆区在循环载荷下出现明显磨损。此外,通过试验结果拟合可得到连接螺栓的磨损系数,在此基础上可用提出的方法对以承受剪切力为主的螺栓进行疲劳分析。     

航空发动机叶片突丢后动载荷对螺栓强度的影响

航空发动机使用过程中,若发生叶片丢失,除了会导致非包容性破坏外,还会产生动态载荷,从而可导致发动机的连接螺栓破坏,引发更大的故障。针对风扇试验件试验时因叶片丢失而引发的连接螺栓断裂故障,计算了单个风扇叶片丢失后转子支点处产生的动态载荷,分析了动态载荷作用下危险截面处螺栓的应力,并结合断口分析结果验证了分析结果的正确性。本研究成果可为航空发动机转子在叶片丢失情况下的强度设计提供极限载荷输入。     

飞机螺栓双剪连接结构有限元应力分析

为了设计更加高效和安全的航空航天结构元件,对螺栓连接进行精确的应力和应变分析是相当重要的。对飞机结构中广泛使用的铝合金7075 T6螺栓连接板进行了有限元建模,采用单螺栓和双螺母配合的双搭接连接,在建立有限元模型后,模拟施加三个不同大小的预紧力并附加不同的纵向拉伸载荷。螺栓连接中各个部件之间的接触采用三维面面接触单元来模拟,数值分析中考虑了摩擦效应,此外,还模拟了螺栓和板之间的间隙。有限元计算结果显示,由于施加预紧力而在孔边缘附近产生有益的压应力,较高的预紧力可以显著降低在孔边缘处合成拉伸应力的大小,并且在经受纵向拉伸载荷时也能够显著降低接头处的应力水平。     

结构刚度对翼根螺栓组载荷分布的影响

 由于静不定结构中载荷按刚度分配,对于机翼翼根采用螺栓组连接的结构,其连接螺栓承受的载荷会随结构刚度变化。为考察螺栓载荷随结构刚度的分布特点,结合某新型地效飞行器的机翼结构分析工作,在PATRAN/NASTRAN环境下对该机在翼根附近的主要结构进行了有限元建模。主要研究了因机翼剖面形状导致翼根各处刚度不一致而对螺栓载荷分配造成的影响。另外,考虑到中央翼的桁条对提高其支持刚度也会起到一定作用,因此,比较了中央翼带桁条与不带桁条两种情况下螺栓的受力特性。通过局部模型的有限元分析,总结出一些螺栓载荷的变化规律。得出的结论对于类似的地效飞行器或轻型飞机翼根连接设计具有一定参考价值。     

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。     

基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预报

针对传统有限元建模黑箱操作多、计算成本大、不具有自主知识产权等问题,基于经典层合板理论,随机振动理论和Miner线性积累损伤准则,建立了基础随机激励下纤维增强复合薄板振动疲劳寿命预测的解析模型。基于应力模态法,推导了纤维增强复合薄板的应力频响函数,在考虑随机激励的基础上,得到了结构的随机振动等效应力功率谱密度函数。通过Dirlik、Bendat和Benasciutti-Tovo三种频域模型对应的概率密度函数,成功求解了相应的振动疲劳寿命。另外,采用ANSYS与nCode软件对模型及其预测结果的正确性进行了验证,研究发现该模型寿命计算结果相对于商业软件计算结果的偏差不超过14.8%,但计算效率提高了17%～33%。因此,该模型可为预测随机激励下各向异性复合薄板的振动疲劳问题,提供一种思路和工具。     

民用飞机副翼舱结构振动疲劳寿命预计

副翼舱是民用飞机重要部件之一,主要作用为连接副翼并对安装副翼提供支持,将副翼的气动载荷传递到主翼盒上。当受到气动力及其他激励时副翼舱结构产生结构振动响应。副翼舱结构振动疲劳寿命需满足民用飞机适航条款要求,为表明满足适航条款符合性,对随机动载荷激励下副翼舱结构进行振动疲劳寿命预计具有重要意义。以民用飞机副翼舱结构为研究对象,基于试飞实测应变数据、金属材料的随机振动S-N曲线和改进声疲劳寿命估算法,提出了一种适用于振动疲劳寿命预计的工程处理方法。通过飞行试验、有限元仿真、数据分析等相结合的方法进行副翼舱结构优化前后的振动疲劳寿命预计。副翼舱结构优化前损伤位置预测寿命最低为59飞行小时,符合实际损伤位置寿命情况。副翼舱结构优化后应力水平明显降低,寿命满足要求。结果表明：基于实测数据的副翼舱结构振动疲劳寿命预计方法有效,可作为振动疲劳寿命预计的工程处理方法。     

基于电涡流位移传感器的钛合金叶片振动疲劳试验研究

为了研究钛合金叶片振动疲劳特性,基于电磁振动测试平台和非接触式电涡流位移传感器,开展了试验工装和试验程序设计。通过本文的传感器标定和振动应力标定方法研究,发展了基于电涡流位移传感器的非接触测量式钛合金叶片振动疲劳试验手段,进而完成了疲劳考核试验和裂纹扩展试验,研究了裂纹长度和固有频率随疲劳循环数累积的变化规律。试验结果表明,钛合金叶片具有较好的抗疲劳特性,疲劳裂纹萌生寿命较长,但裂纹扩展寿命较短。     

基于应力分布模型的随机疲劳加速试验设计

将两段式S-N曲线应用于Dirlik随机振动疲劳寿命预测模型，分段计算各自的疲劳损伤并进行叠加。基于该模型所模拟的应力幅值分布，推导了在两段式S-N曲线的情况下激励放大倍数同疲劳寿命之间的等效关系，并提出了基于该等效关系的加速试验寿命换算方法，为加速试验应力等级的确定提供了参考。针对随机振动中小应力幅占比较大的情况，该方法优化了这一部分的损伤计算方式，同时该方法还可以推广至超高周疲劳等需要使用多段式S-N曲线表达疲劳性能的情况中去，得到更加贴近实际的理论疲劳寿命与加速寿命间的等效关系。通过分析算例表明，在两段式S-N曲线下，应力与寿命也大体呈现出了两段式的对数线性关系，并使用文献中的试验数据进行了验证。     

结构振动疲劳的工程分析方法

介绍了结构振动疲劳的概念；引入了结构在周期振动载荷和随机振动载荷作用下的振动疲劳曲线；提出了振动疲劳的线性和式累积损伤关系式以及振动疲劳的破坏判据；从工程角度给出飞机结构在随机振动载荷作用下的寿命分析方法，即利用正弦共振S-N曲线进行随机分析的方法以及借用声疲劳分析技术计算随机振动疲劳的方法等。     

航空管路补偿器耐久性计算方法对比分析

本文研究了管路补偿器补偿位移疲劳寿命和耐久振动寿命的有限元分析计算方法。通过对某型管路补偿器有限元仿真计算结果和传统工程计算法计算的结果进行对比分析，研究管路补偿器补偿位移疲劳寿命的有限元计算方法，探索耐久振动寿命的有限元计算流程，并将结果同试验数据对比，以验证其设计方法的计算精度。结果表明，补偿位移的疲劳寿命有限元法的计算精度优于工程设计法；耐久振动寿命有限元法能够给出确定的振动应力分布情况，并预测出耐久振动寿命时间，工程设计法仅能计算出管路补偿器的自振频率，不能明确振动应力和寿命。     

某型钛铝合金航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验

以某型钛铝合金航空发动机叶片为研究对象,针对该型叶片高温高周振动疲劳实验时遇到的高温疲劳应力监测、高频激励等问题进行了实验方法研究。采用闭环控制最大应力的方法解决了高温疲劳应力的监测,通过夹具放大设计实现了高频激励,利用辐射加热和电磁振动台完成了温度载荷和振动载荷的综合施加。运用所述的高温高周振动疲劳实验方法,对该型叶片进行了寿命实验。实验的高温疲劳应力控制精度优于±2%,得到该型叶片可靠度为50%的中值疲劳极限是444 MPa,并有效获得了其寿命曲线。该实验方法适合航空发动机叶片高温高周振动疲劳实验,并可为其他航空发动机零部件高温高周疲劳实验提供参考。     

热振环境下钛合金薄壁结构疲劳寿命

由于钛合金薄壁结构长时间在飞行热振环境下结构内部产生不断变化的应力,可能引起结构疲劳失效,因此借助振动试验台搭建了高温振动疲劳测试系统,测定了20、150℃和300℃温度条件下钛合金悬臂薄板结构的随机振动S-N疲劳曲线,并建立了上述温度条件下钛合金悬臂薄板结构的疲劳寿命预测表达式,根据其计算得到的预测寿命与试验件的实际寿命相比误差较小,300℃、45.36 MPa应力水平下误差仅为3.76%。该方法可用于高温随机振动载荷作用下结构的疲劳性能和寿命预测研究。     

飞机结构振动疲劳分析研究进展

结构的振动疲劳分析研究对飞行器设计及其可靠性具有重要意义。全面阐述了国内外在结构振动疲劳研究方面的新进展,特别对随机振动载荷下结构的疲劳寿命估算作了详细的评述与讨论,综合最新的研究方法和取得的成果,对一些新出现的研究方向,比如材料的振动疲劳寿命曲线、飞机结构抗振动疲劳设计等进行了阐述,最后指出了结构振动疲劳分析尚待进一步研究的问题。