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。     

考虑接触热阻的非连续转子快速启动热分析

针对燃气轮机转子非连续性的结构特点,通过考虑粗糙表面的接触热阻,建立了螺栓联接结构的热 结构耦合分析模型。研究了快速启动过程中轮毂间接触面上的温度分布及最大应力的变化规律,并分析了表面粗糙度和预紧力等接触参数对接触面间的温度分布、拉紧力及最大应力的影响。结果表明:热冲击下粗糙表面间的接触热阻对接触面的温度分布及最大应力影响明显,接触参数对螺栓联结结构的温度场、应力场及热变形特性影响较大。研究成果可为燃气轮机转子设计、热致振动分析及故障诊断提供理论依据。      

复合材料层合板螺栓连接失效分析

利用ABAQUS软件,加入失效分析程序对层合板螺栓连接挤压强度进行分析.本文提出一种合理的材料刚度退化方法模拟材料失效过程,计算中采用Hashin准则为失效判据,考虑了接触关系,材料逐步失效以及几何非线性等因素.研究结果表明,对压缩失效与拉伸失效采用不同的刚度退化方法能较准确地描述材料失效状态;孔径与板厚度比(D/t)对螺栓孔挤压强度影响较大,随着D/t值减小,螺栓孔挤压失效区域向螺栓孔中心线位置集中.     

盘鼓螺栓连接结构接触刚度建模与应用检验

针对航空发动机中盘鼓转子螺栓连接结构连接刚度精确建模与工程化应用问题,通过扇形盘鼓螺栓结构固有特性实验获得前6阶固有频率随螺栓预紧力变化关系,考虑螺栓接触面应力分布,基于双薄层单元法获得了扇形盘鼓螺栓连接结构各阶固有频率随薄层单元弹性模量变化规律.通过构建实验与仿真结果误差函数实现接触刚度的识别,并将接触刚度模型推广应...     

钉传载荷作用下钉孔裂纹应力场的分布

考虑螺栓与钉孔的接触及材料的弹塑性,应用非线性有限元法模拟分析带裂纹钉孔的应力分布,得出钉传载荷作用下钉孔裂纹应力场的分布。     

基于ANSYS的风挡连接螺栓有限元分析

采用有限元技术．应用ANSYS10．0建立计算模型，施加边界条件并进行求解，得到螺栓应力分布和位移情况。该计算方法充分考虑了螺栓与玻璃、弧框与螺栓，弧框与玻璃的接触以及螺栓预紧，真实地模拟了该问题．从而为优化螺栓间距和尺寸奠定了基础。     

随机载荷作用下锥形螺栓干涉配合的疲劳寿命增益

介绍了以7475 T761铝合金为基材的锥形螺栓干涉配合和普通螺栓非干涉配合连接的犬骨形试件,在随机疲劳载荷谱作用下的疲劳试验。结果表明:锥形螺栓干涉配合与普通螺栓连接比较,疲劳寿命增益明显;应力水平降低,寿命增益倍数增加。锥形螺栓干涉提高疲劳寿命的主要原因是:(1)干涉使孔附近区域形成拉伸预应力,它可以降低外加疲劳载荷引起的交变应力幅;(2)锥形螺栓干涉使螺栓与孔之间的接触更均匀、更紧密,当有载荷传递时,其分布趋于均匀;(3)锥形螺栓干涉改善了孔壁的初始疲劳质量。     

螺栓孔的位置度误差对短精密螺栓连接结构装配力学特性的影响

为了研究螺栓孔的位置度误差对装配力学特性的影响,建立了考虑位置度误差的误差模型和有限元模型,研究了位置度误差对单个短精密螺栓连接结构的连接刚度和孔边应力的影响,建立了短精密螺栓组的位置度误差计算模型和有限元模型,分析了上、下被连接件的安装角度、第1颗螺栓的装人位置对短精密螺栓组结构的连接刚度的影响.研究发现:位置度误差...     

轮盘超椭圆异型螺栓孔均衡优化设计

基于降低航空发动机轮盘孔结构孔边应力和装配的双重考虑,提出了1种超椭圆曲线轮盘螺栓孔均衡优化设计方法。在降低孔边应力的基础上,引入了异型度概念以表示孔轮廓形状变化幅度,针对孔边应力降低和异型度减小2个互相制约的优化目标,构建了1个均衡优化模型;结合Paret o最优解理论,采用多目标进化算法对轮盘超椭圆异型孔进行寻优,得到了超椭圆异型螺栓孔轮廓的最优解。结果表明:设计得到的超椭圆螺栓孔结构可以在保证可靠传力的同时,使孔边应力降低19%。与其他异型孔方案相比,该模型设计参数少,模型简洁,均衡优化所获得的超椭圆异型孔的设计稳健性较好。     

离心压气机包容结构连接螺栓建模方法

为研究离心压气机包容结构的抗冲击能力,对连接螺栓建立多种有限元模型,开展数值仿真研究,分析比较不同建模方法的数值仿真结果与计算特性,并在高速旋转试验台上开展了离心叶轮轮盘破裂包容性验证试验。结果表明:蛛网多点耦合模型、固连失效接触模型和梁-壳离散弹簧模型计算量少,计算效率高,但无法准确体现高能冲击载荷的传递和连接部位突加应力、应变的分布与变化;螺栓实体模型较为复杂,所需计算时间长,但能够充分体现螺栓变形以及与螺栓孔的相互作用,与试验结果有较好的一致性。      

机械连接件中螺栓孔角裂纹应力强度因子数值计算(英文)

The three-dimensional finite element method is used to solve the problem of the quarter-elliptical comer crack of the bolt-hole in mechanical joints being subjected to remote tension. The square-root stress singularity around the corner crack front is simulated using the collapsed 20-node quarter point singular elements. The contact interaction between the bolt and the hole boundary is considered in the finite element analysis. The stress intensity factors （SIFs） along the crack front are evaluated by using the displacement correlation technique. The effects of the amount of clearance between the hole and the bolt on the SIFs are investigated. The numerical results indicate that the SIF for mode I decrease with the decreases in clearance, and in the cases of clearance being present, the corner crack is in a mix-mode, even if mode I loading is dominant.     

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。     

复合材料螺接性能的影响因素研究

 利用有限元软件ANSYS建立了单钉双剪复合材料单拉接头的1/2模型,研究了钉孔配合、螺栓预紧力和接触面间摩擦对接头的强度等性能的影响。设计了若干实验,证明有限元模型是有效的,其计算误差控制在10%以内。有限元计算结果表明:小干涉量的过盈配合能极大地提高接头的强度,与3%间隙量相比,最优干涉量下接头强度可提高36.5%;适当的螺栓拧紧力矩也可提高接头的强度;接头中被连接板间的摩擦对接头强度也是有利的,但在一定接头尺寸条件下,摩擦力的增大有可能会改变接头的破坏模式。以上研究成果为复合材料多钉连接钉载分配均匀化的参数化分析提供了一个突破口,这也是本文后续研究的一个内容。     

基于接触分析方法的机匣安装边密封性研究

针对某型航空发动机外涵机匣开环形槽结构的安装边,建立了包括安装边和连接螺栓的有限元计算模型.采用有限元接触分析方法对安装边结合面的接触应力和接触间隙进行了计算,分析了安装边螺栓孔距、安装边厚度和开槽深度对安装边密封性的影响.结果表明,安装边开环形槽结构有利于密封,适当增加安装边螺栓数和安装边厚度可改善其密封性.     

计及芯轴变形的轴连轴承载荷分布和刚度计算

因轴连轴承高承载能力和长寿命的性能指标要求,提出三列滚动体混合式结构,通过两端圆柱滚子线接触形式提高轴承整体承载能力。为考核新型轴连轴承承载性能,基于柔性梁理论引入芯轴挠曲变形的影响,采用滚动轴承设计方法,建立新型轴连轴承力学分析模型,在此基础上研究了外载大小、外载位置和游隙因素对轴承载荷分布和刚度的影响。载荷分析表明:径向载荷增加,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩增加,各滚动列最大接触载荷增大;载荷作用距离减小,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩减小,各滚动体列的承载载荷明显下降;滚子列径向游隙的增加,各滚动体列的最大接触载荷增大,承载区域减小,载荷分布均匀性下降。刚度分析表明随着径向载荷增大,各滚动体列主刚度明显上升,而载荷作用距离减小和滚子列径向游隙增加,会造成各滚动体列主刚度一定程度下降。      

Combined and interactive effects of interference fit and preloads on composite joints

The combined and interactive effects of the bolt-hole fit conditions and the preloads of the fasteners on the load carrying capacity of single-lap composite-to-titanium bolted joints have been investigated both experimentally and numerically. Quasi-static tests of the hybrid joints with different fit conditions are implemented, and a three dimensional finite element progressive failure analysis model is proposed to predict the influences of the bolt-hole fit conditions and fastener＇s pre- loads on the mechanical behaviors of the joints. Based on the experimental validated simulation method, a multi-factor, mixed levels orthogonal design table and the analysis of variance method are used to arrange the simulation conditions and to further study the interactive effects of preloads and fit conditions. Through the analysis of the results, for the researched double bolt, single-lap composite-titanium joints, it is found that： the effects of both the interference fit and the preloads change from positive into negative mode with the increase of the interference fit values or preload values; appropriate bolt-hole fit conditions and preloads can improve the bolt-hole contact conditions of the loaded joints, and then retard the fiber failures around the fastener holes, and increase the load carrying capacity of the joints eventually; the interactive effect of the bolt-hole interference fit conditions and preloads cannot be ignored and the parameters need to be considered together and synthetically as the joints are being optimized.     

某型飞机前轮叉裂纹失效分析与解决措施

外场服役的两架某型飞机的前轮叉与活塞杆在连接孔上表面相同位置处出现了裂纹。断口分析表明,前轮叉裂纹为应力腐蚀裂纹,裂纹从内表面侧起源,并在应力作用下不断向外表面侧扩展．最终贯穿前轮叉与活塞杆连接处。同时,通过建立有限元模型对裂纹处应力分析,发现前轮又与活塞杆及螺栓之间的干涉量与干涉应力基本上呈线性关系,而且装配时摩擦系数对应力的影响可以忽略不计。由此得小轮叉出现裂纹的主要原因是轮叉与活塞杆及螺栓间的干涉配合在裂纹位置处造成的较大装配应力和腐蚀介质的作用引起的。因此．在装配过程中严格控制其干涉量,并提高轮叉表面的防护质量,是避免轮叉出现应力腐蚀裂纹的有效措施．     

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%。     

含三维接触问题的机翼下壁板翼肋对接孔结构断裂特性研究

飞机对接孔结构的损伤是飞机和许多工程结构中存在的一种典型损伤形式,它严重影响着结构的完整性和使用安全。因此,研究对接孔结构的断裂特性,具有重要的工程意义和实用价值。主要通过创建三维接触来考虑螺栓与螺栓孔间、垫片与下壁板内壁间的接触问题,应用有限元素法,建立合理的计算模型,计算翼肋对接孔结构在多种开裂模式下的应力强度因子,通过大量的计算分析,总结了机翼翼肋对接孔结构的断裂特性规律。计算结果和结论可作为该类结构损伤容限设计的参考依据。