基于广义DFR概念的受剪连接件疲劳寿命估算方法

提出了广义DFR(细节疲劳额定值)概念,基于疲劳寿命遵循对数正态分布规律推导了任意应力比、可靠度和置信度下的DFR值的计算公式,在此基础上,发展了基于广义DFR概念的连接件谱载疲劳寿命估算方法,试验测定了铆钉单搭铝合金连接件和螺栓连接合金钢连接件的广义DFR值和谱载疲劳寿命。采用本文提出的广义DFR方法估算了两种连接件的谱载疲劳寿命,并与试验结果进行对比,发现理论估算结果与试验数据吻合良好。     

连接件孔边应力集中的研究进展

在机械制造业中,使用了大量的螺栓或铆钉等连接件以实现连接和传力功能。连接件孔的存在使得孔的边缘上存在应力集中。结构的实际使用和寿命试验表明,大多数损坏是由于应力集中处引起的疲劳裂纹造成的,因此准确得到连接区的应力集中系数十分重要。回顾了以往学者对连接件孔边应力集中的研究进展,为计算连接件的疲劳寿命提供了依据。     

某型飞机连接件疲劳试验连接螺栓头失效分析

对某型飞机连接件疲劳试验厚板试件进行受载分析并对典型的脱落螺栓头失效件进行了金相分析,通过试验提出提供更大刚度支持,设计了专门复合夹具,解决了失效问题。研究结果为拉剪搭接形式的航空连接结构件的失效预防提供了试验支持,同时对于厚板连接件的疲劳试验方案的改进具有指导意义。     

栓孔配合间隙对剪切刚度和疲劳寿命的影响

针对螺栓连接件疲劳寿命分散性问题，对某型飞机机翼主梁上的一种典型螺栓和连接孔进行测量，获得栓孔的配合间隙分布数据。通过一组同一尺寸单个螺栓连接件的试验，得出一簇P－δ曲线，通过统计分析，得出该种连接件螺栓刚度的分布区间，采用考虑间隙影响的P－δ曲线，对螺栓连接件进行寿命估算和验证试验，得出相当吻合的结论。     

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。     

复合材料连接件钉孔接触应力分析

对复合材料机械连接件，采用接触问题的全量初应力－线性规划解法，分析研究孔边应力分布规律，比较连接件受载形式、边距、配合间隙、材料等因素对应力集中的影响，为连接件的设计和强度分析提供基本的依据。     

铝合金薄板冲击后疲劳试验与谱载寿命

对航空铝合金2524-T3和7075-T62薄板分别进行了4种不同冲击能量的低速冲击试验,并对冲击后薄板进行了静力拉伸、恒幅加载疲劳性能及块谱加载疲劳寿命试验,研究了冲击凹坑尺寸（或冲击能量）对静力性能、疲劳强度以及疲劳寿命的影响;根据断口形貌和试验观察,分析和讨论了冲击对疲劳特性和损伤机理的影响。为估算冲击后薄板谱载疲劳寿命,在试验基础上提出新的冲击后薄板疲劳性能S-N-K_t表征模型,采用新模型处理试验数据,得到的理论结果与试验数据吻合良好。基于Johnson-Cook本构方程,建立了冲击后铝合金薄板的非线性弹塑性有限元模型,模拟了冲击凹坑附近的残余应力和应力集中;利用冲击后薄板疲劳性能S-N-K_t模型,预测了冲击后的航空铝合金2524-T3和7075-T62薄板的块谱疲劳寿命,预测结果和试验数据吻合良好,精度可接受。     

拉压载荷作用下结构连接件的DFR疲劳分析方法

从结构连接件孔边峰值应力入手,找到了峰值应力和载荷传递系数之间的关系,进而定义了压缩载荷修正系数。形成了拉压载荷作用下结构连接件疲劳分析的DFR法。     

梳状接头DFR值的疲劳试验分析方法

对2种典型梳状接头的疲劳试验进行了设计,试验结果表明,Ⅰ型试验件的破坏情况都为接头近螺栓孔边处断裂;而Ⅱ型试验件的断裂情况分为连接螺栓断裂和接头近螺栓孔边处断裂2种。为了满足梳状接头疲劳强度校核的需要,采用求解等代截面细节疲劳额定值(Detail Fatigue Rating,DFR)的方法得到了两种试验件接头的DFR值,并通过考虑螺栓的预紧力,得到了Ⅱ型试验件螺栓的DFR,从而为梳状对接结构的耐久性分析提供了试验支持。     

民机衬套修理技术对金属结构疲劳性能的影响研究

首先研究了民机衬套修理技术对金属结构疲劳性能的理论影响,得出了主要影响参数,包括衬套孔径和衬套初始干涉量;然后通过数值模拟手段,建立了关于典型连接结构的有限元模型,分析了在不同衬套孔径和初始干涉量条件下,连接结构衬套孔边的最大径向压应力变化趋势;最后设计了若干组试片级疲劳试验,研究了衬套孔径和衬套干涉量对细节疲劳额定值(DFR)的影响,得出了当前工艺水平下的定量疲劳影响结论。     

基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接失效模拟

将ARLEQUIN方法应用于螺栓连接件的挤压失效模拟中，将连接件层合板分为孔边局部损伤区、无损伤区和过渡区。局部损伤区精细化划分网格，无损伤区采用粗网格划分，过渡区通用ARLEQUIN方法将损伤区和无损伤区进行耦合。采用用户自定义单元在ABAQUS中引入ARLEQUIN方法，实现了基于ARLEQUIN方法的复合材料螺栓连接的三维有限元失效模拟。建立了传统有限元模型和ARLEQUIN模型，并与试验结果进行了对比，表明在保证与传统有限元模型相同计算精度的情况下，采用ARLEQUIN方法进行复合材料螺栓连接失效模拟大大降低了计算资源，具有更高的效率。     

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%。     

金属裂纹板复合材料胶接修补结构裂纹扩展行为研究

为研究金属裂纹板复合材料胶接修补结构的裂纹扩展行为,进行了LY12CZ航空铝合金裂纹板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的疲劳性能测试试验,观察修补结构疲劳失效模式,并测量一定疲劳周次下的铝合金板的裂纹长度.建立了考虑裂纹扩展,界面脱粘两种失效模式相互耦合的三维非线性有限元分析模型,计算出不同裂纹长度对应的疲劳寿命,对修补结构的疲劳性能进行了评估,其数值计算与试验结果吻合较好.     

高锁螺栓孔进R区的对接结构疲劳试验研究

在民用飞机生产过程中,存在紧固件孔进入对接结构R 区但换新超差结构较为困难的情形,对该类问题在R 区加弧形垫后,由于应力集中系数的变化及非标准连接,结构的疲劳品质会受到影响。本文通过疲劳试验研究对接结构高锁螺栓孔进R 区（平行载荷方向）加弧形垫对结构细节疲劳额定值的影响;在试验件设计时通过有限元法分析部分参数对结构应力集中的影响,根据有限元分析结论进行三组疲劳试验以得到相应的细节疲劳额定值修正系数,对试验结果与工程算法结果进行比较。结果表明：高锁螺栓孔进R 区的超差程度优于高锁螺栓HST12AG6 的孔进R 区1.0 mm,对接结构细节疲劳额定值下降在10% 以内;试验对照组的试验件破坏形式与参照组完全吻合,细节疲劳额定值差异在合理的范围内。     

圆弧端齿对涡轮螺栓连接影响的数值研究

为验证某型民用航空发动机涡轮总体设计方案的可行性和安全性,以该型航空发动机涡轮的圆弧端齿连接结构为研究对象,利用有限元数值模拟方法研究了涡轮第1级盘与前轴之间采用圆弧端齿连接的设计对结构强度和疲劳失效的影响,分析了在高温及不同预紧力载荷工况下对圆弧端齿连接强度、疲劳等性能的影响规律.研究表明:该设计存在涡轮第1级盘与高压涡轮轴连接的外端齿分离而导致振动的风险,而增大预紧力可以提高螺栓连接传递荷载的能力,但螺栓孔边存在局部高应力问题.研究结果为圆弧端齿的设计方案提供了有效理论支撑和参考.     

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     

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。     

TC4紧固件性能试验和数值仿真

验证了航空飞行器结构中以滚压MJ螺纹的TCA螺栓替代常规M螺纹的30CrMnSiA螺栓的可行性.试验证明30CrMnSiA螺栓的拉伸性能略高于TC4螺栓,而TC4螺栓的拉伸疲劳性能远优于30CrMnSiA螺栓.应用ANSYS软件,以有限元方法计算了两种螺栓的应力集中系数,证明MJ螺纹TC4螺栓的应力集中系数较小是其抗疲劳性能提高的主要因素.     

民用飞机气密腹板裂纹研究

民用飞机气密腹板主要承受机舱内部的气密载荷,气密腹板在面外气密载荷循环作用下可能发生疲劳破坏,产生裂纹,为研究气密腹板的疲劳性能,提出了一种裂纹预测分析方法,并通过疲劳试验验证方法的可行性。根据飞机气密腹板结构的传力特征和试验测量结果,确定了气密腹板疲劳典型部位和循环受载严重工况。选取疲劳典型部位腹板格子(包含连接紧固件),以六面体单元为最小单元建立精细有限元模型,进行仿真分析,分析得到裂纹发生位置以及裂纹发生机理和实际检测结果一致。基于细节疲劳额定值(detailed fatigue rating,简称DFR)法和疲劳检查表,进行气密腹板疲劳寿命分析,采用NASGRO软件进行气密腹板裂纹扩展寿命分析,裂纹萌生并扩展到临界裂纹长度的疲劳试验循环次数接近裂纹发现时次数,且理论分析偏保守。     

基于Gerber模型的DFR法与结构细节效应

在实际工程应用中,基于Goodman模型估算结构细节疲劳额定强度(DFR)的方法偏于保守,不够经济.本工作推导基于Gerber模型的DFR值D(应力比R=0.06)的计算公式,引入细节效应系数以考虑多细节对置信度系数和D估算结果的影响;与已有结果的比较发现:基于Gerber模型的D的估算方法能够较大程度地发挥材料的潜能,降低研发成本.利用构件细节额定值系数法,通过单个细节结构的D估算了含多个细节的结构的D.估算结果与试验结果的比较验证了基于Gerber模型的DFR法的准确性和适用性.