留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种多钉铆接连接件的疲劳寿命分析方法

张天宇 何宇廷 陈涛 杜旭 谭翔飞 刘凯

张天宇, 何宇廷, 陈涛, 等 . 一种多钉铆接连接件的疲劳寿命分析方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(9): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0689
引用本文: 张天宇, 何宇廷, 陈涛, 等 . 一种多钉铆接连接件的疲劳寿命分析方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(9): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0689
ZHANG Tianyu, HE Yuting, CHEN Tao, et al. A fatigue life analysis method for multiple riveted joint[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(9): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0689(in Chinese)
Citation: ZHANG Tianyu, HE Yuting, CHEN Tao, et al. A fatigue life analysis method for multiple riveted joint[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(9): 1933-1940. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0689(in Chinese)

一种多钉铆接连接件的疲劳寿命分析方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0689
详细信息
    作者简介:

    张天宇  男, 硕士研究生。主要研究方向:飞行器使用可靠性、安全性、健康监控与修复技术

    何宇廷  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:飞行器使用可靠性、安全性、健康监控与修复技术

    通讯作者:

    何宇廷.E-mail:heyut666@126.com

  • 中图分类号: TB332

A fatigue life analysis method for multiple riveted joint

More Information
  • 摘要:

    针对目前对多钉铆接连接件进行疲劳寿命分析时的可行性不高、计算量较大等问题,提出一种更加有效可靠的预测多钉铆接连接件的疲劳寿命的方法。对多钉铆接连接件进行疲劳寿命分析时,先对压铆铆接过程进行了显示动力学分析,获得铆接后的钉、孔变形形式和干涉量,并编写了APDL子程序用于各种形式试件的铆接过程分析。用紧固件的载荷-位移曲线进行细节应力分析。基于三维弹塑性有限元法建立铆接连接件的载荷-位移计算方法,并通过与试验结果对比,说明用本文方法获取载荷-位移曲线的可靠性。在ANSYS中建立钉单元,并实现参数化建模进行钉载计算。使用应力严重系数法估算连接件疲劳寿命。开展典型航空铆接连接件疲劳试验,计算结果与试验结果一致性较好,说明计算方法的可行性。

     

  • 图 1  铆钉几何模型

    Figure 1.  Geometric model of rivets

    图 2  铆接简化模型

    Figure 2.  Simplified model of riveting

    图 3  沙漏能与内能的比值

    Figure 3.  Ratio of hourglass energy to internal energys

    图 4  半圆头铆钉铆接过程应力分布

    Figure 4.  Stress distribution in riveting process of semicircular head rivet

    图 5  铆接后塑性应变分布

    Figure 5.  Plastic strain distribution after riveting

    图 6  镦头部位网格变形

    Figure 6.  Grid deformation of heading positon

    图 7  铆接过程有限元分析参数化

    Figure 7.  Parametric finite element analysis of riveting process

    图 8  铆钉连接件几何模型

    Figure 8.  Rivet connection geometric model

    图 9  边界条件

    Figure 9.  Boundary conditions

    图 10  模型局部应力和变形

    Figure 10.  Stress and deformation of part of model

    图 11  P=0 N时x方向应力分布

    Figure 11.  Stress distribution along x direction when P=0 N

    图 12  P-δ曲线计算结果与试验结果对比

    Figure 12.  Comparison of P-δ curves between calculated and experimental results

    图 13  钉单元示意图

    Figure 13.  Schematic diagram of rivet unit

    图 14  钉单元受力情况

    Figure 14.  Loading situation of rivet unit

    图 15  细节应力分析系统流程图

    Figure 15.  Detailed stress analysis system flowchart

    图 16  试件结构形式与尺寸

    Figure 16.  Structure form and dimension of specimen

    图 17  有限元模型及各钉位置

    Figure 17.  Finite element model and position of rivets

    图 18  防弯夹具

    Figure 18.  Anti-bending fixture

    图 19  试件断裂部位

    Figure 19.  Fracture parts of specimen

    表  1  TB2-1钛合金基本力学性能参数

    Table  1.   Basic mechanical property parameters of TB2-1 titanium alloy

    力学性能参数 数值
    弹性模量/MPa 85 000
    泊松比 0.33
    密度/(kg·m-3) 4.83
    屈服强度/MPa 880
    下载: 导出CSV

    表  2  疲劳试验结果与计算结果

    Table  2.   Fatigue test results and computing results

    组别 中值疲劳寿命/cycles 计算与试验结果相对误差/%
    试验结果 计算结果
    1 192 909 169 489 12.14
    2 72 598 64 937 10.55
    3 41 271 35 886 13.05
    4 277 469 312 001 12.45
    5 121 505 140 670 15.77
    6 52 113 59 389 13.96
    下载: 导出CSV
  • [1] 飞机结构强度研究所.航空结构连接件疲劳分析手册[M].西安:飞机结构强度研究所, 1985:21-23.

    Aircraft Structure Strength Research Institute. Fatigue analysis manual of aircraftjoints[M]. Xi'an:Aircraft Structure Strength Research Institute, 1985:21-23(in Chinese).
    [2] BOFF A.飞机制造工艺学[M].佘公藩, 张钧, 等译.西安: 西北工业大学出版社, 1989: 205-221.

    BOFF A. Aircraft manufacturing technology[M].SHE G F, ZHANG J, et al., translated. Xi'an: Northwest Industrial University Press, 1989: 205-221(in Chinese).
    [3] ROSENFELDS J.Analytical and experimental investigation of bolted joints: NACA TN-1458[R].Washington, D.C.: NACA, 1458.
    [4] JARFALL L E. Optimun design of joints:The stress severity factor concept[J].Aircraft Fatigue, 1967, 56(2):49-63.
    [5] TATE M B, ROSENFELD S J. Preliminary investigation of theloads carried by individual bolts in bolted joints: NACA TN-10511[R].Washington, D.C.: NACA, 1946.
    [6] NELSON W D, BUNIN B L, HART-SMITHL J. Critical joints in large composite aircraft structure: NASA CR-3710[R].Washington, D.C.: NASA, 1983.
    [7] SWIFT T.Fracture analysis of stiffened structure: ASTM STP842[R].New York: ASTM, 1984.
    [8] HUTH H.Influence of the fastener flexibility on the prediction of load transfer and fatigue life for multi-row joints: ASTM STP927[R].New York: ASTM, 1986.
    [9] 梁沛权.紧固件载荷-变形曲线的计算方法研究[D].西安: 西北工业大学, 1987.

    LIANG P Q.Study on the numerical calculations of P-δ curves of fasteners[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 1987(in Chinese).
    [10] 陈涛, 何宇廷, 韩宏文, 等.螺栓连接件的紧固件P-δ曲线计算方法研究[J].科学技术与工程2014, 14(28):140-147. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2014.28.027

    CHEN T, HE Y T, HAN H W, et al.Study on the numerical calculations of P-δ curves of fasteners for bolted joints[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(28):140-147(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2014.28.027
    [11] 师访.ANSYS二次开发及应用实例详解[M].北京:中国水利水电出版社, 2012:121-126.

    SHI F.Secondary development of ANSYS and detailed application example[M].Beijing:China Water Power Press, 2012:121-126(in Chinese).
    [12] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社, 2009:576-579.

    WANG X C.Finite element method[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2009:576-579(in Chinese).
    [13] 袁立.航空制造工程手册:飞机装配[M].北京:航空工业出版社, 2010:390-401.

    YUAN L.Handbook of aeronautical manufacturing engineering:Aircraft assembly[M].Beijing:Aviation Industry Press, 2010:390-401(in Chinese).
    [14] 熊竣江.飞行器结构疲劳与寿命设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004:85-111.

    XIONG J J. Structure fatigue and life design of aircraft[M].Beijing:Beihang University Press, 2004:85-111(in Chinese).
    [15] 李艳, 于克杰, 李小雷.铆钉材料对铆接变形影响的有限元分析[J].机床与液压, 2013, 41(4):50-52. doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2013.04.015

    LI Y, YU K J, LI X L.Finite element analysis for the influence of rivet materials on rivet deformation[J]. Machine Tool and Hydraulics, 2013, 41(4):50-52(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2013.04.015
    [16] BARROIS W. Stresses and displacements due to load-transfer by fasteners instructural assemblies[J]. Engineering Fracture Mechanics, 1978, 10(1):115-176. doi: 10.1016/0013-7944(78)90055-3
    [17] MCCARTHY M A, MCCARTHY C T, PADHI G S. A simple method for determining theeffects of bolt-hole clearance on load distribution in single-column, multi-bolt composite joints[J]. Composite Structures, 2006, 73(1):78-87. doi: 10.1016/j.compstruct.2005.01.028
    [18] MCCARTHY C T, GRAY P J. An analytical model for the prediction of loaddistribution in highly torqued multi-bolt composite joints[J].Composite Structures, 2011, 92(2):287-298. http://cn.bing.com/academic/profile?id=60d4f2b3df32647e090c2287893d4555&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [19] 郑晓玲.民机结构耐久性与损伤容限设计手册[M].北京:航空工业出版社, 2003:38-44.

    ZHENG X L.Handbook of civil aircraft structures durability and damage tolerance design[M]. Beijing:Aviation Industry Press, 2003:38-44(in Chinese).
    [20] 薛景川, 杨玉功.紧固件载荷变形曲线的试验方法[M].西安:飞机结构强度研究所, 1982:22-26.

    XUE J C, YANG Y G.Test method for buckling deformation curve of fastener[M]. Xi'an:Aircraft Structure Strength Research Institute, 1982:22-26(in Chinese).
    [21] 薛景川, 杨玉功.紧固件载荷变形曲线的工程确定方法[M].西安:飞机结构强度研究所, 1984:23-29.

    XUE J C, YANG Y G.Engineering determination method for buckling deformation curve of fastener[M].Xi'an:Aircraft Structure Strength Research Institute, 1984:23-29(in Chinese).
    [22] 刘仁宇.某型飞机外翼下壁板连接件细节应力分析和疲劳性能研究[D].西安: 空军工程大学, 2008: 43-48.

    LIU R Y.Failure analysis for lap joint panel of an outer wing in fatigue test[D].Xi'an: Air Force Engineering University, 2008: 43-48(in Chinese).
  • 加载中
图(19) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  1016
  • HTML全文浏览量:  282
  • PDF下载量:  548
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-06
  • 录用日期:  2017-11-13
  • 网络出版日期:  2018-09-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答