金属结构堵孔净间距对孔周边应力影响研究

翟斌 杨子伟 吴铁锋

【摘 要】飞机金属结构零件生产和装配过程中，工艺或制造中常出现空孔。按照设计原则，任何大小的空孔都应该堵住。为了定量研究堵孔对周边结构应力影响，本文选取堵孔与临近紧固件材料净间距作为研究对象，定量研究材料净间距对结构堵孔后的应力影响，用于指导堵孔操作后的强度评估。

【关键词】堵孔；净间距；有限元分析

中图分类号： V261 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）18-0006-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.003

【Abstract】During the process of the production and assembly of aircraft metal structure， hollow hole often occurs. According to the design principle， any hollow hole should be plugged.In order to quantitatively study the effect of hole plugging on hole edge stress， the net spacing between plugging and adjacent fastener is selected as the research object and the edge stress after plugging is researched. The conclusion can be used to guide the evaluation of strength after plugging.

【Key words】Plugging；Net spacing；FEM

0 前言

民機金属结构中，工艺或功能上不需要的任何大小的空孔都应该堵住。正确的堵孔能够降低孔应力集中系数，增加结构强度性能[1]。本文通过有限元分析堵孔净间距对孔周边应力分布的影响，定量研究不同堵孔净间距对强度影响。

1 几何模型与有限元分析

堵孔主要考虑拉伸情况下堵孔净间距、堵钉干涉量、紧固件类型、堵孔净边距等因素对结构应力分布影响规律，典型结构为双剪形式，堵孔为柱状铝堵钉，堵孔位于中间层受载板的端部，且垂直载荷方向，如图1所示。

根据几何示意图1，有限元模型和网格划分如图2，采用C3D8R进行计算分析。紧固件HST10AG5材料为Ti-6AL-4V钛合金，连接板材料为2024-T3铝合金，材料属性均采用Johnson-Cook本构模型来模拟，如下式所示：

σ=（A+Bεn）（1+Clnε*）（1-T*m）

其中，σ是流动应力，ε是塑性应变，A，B，n是材料常数，通过给定材料本构曲线的基础上采用最小二乘法拟合出本构参数，得到的参数如表1所示。堵孔与紧固件净间距依次选取1.0mm、1.27mm、1.6mm。柱状堵钉材料2024-T3，干涉量2.5%；基体材料2024-T3，板厚1.6mm；高锁紧固件干涉量1%。

紧固件干涉通过接触对属性里的Interference fit来定义，预紧力通过load模块下bolt load施加。模型通过固定左边界并在右边界施加模型总长度0.3%的位移载荷进行计算。

2 结果分析

在分析紧固件连接结构时，由于应力集中因素的影响，孔边往往是最易发生疲劳损伤的地方。文献[2、3]分析了干涉连接结构在拉伸外载作用下的孔边应力分布，并指出由于孔边最小截面处是整个结构的危险截面，疲劳破坏常常起始于该处，因此干涉配合结构的疲劳寿命主要受其纵向应力的影响。另外也有文献利用纵向应力分析了类似结构的疲劳强度问题，T.N.Chakherlou等人在研究双剪螺栓连接结构时，专门分析了孔边最小截面处的纵向应力分布规律，包括厚度方向和沿孔边缘距离方向，并得出引入干涉能显著降低纵向交变应力变化幅值，从而大大地改善了结构的疲劳强度[4]。因此本文采用纵向应力来分析。

模型中上层连接板TL（Top-Layer）和中间层连接板ML（Middle-Layer）的应力S11在Step-4[5]结束时的应力云图如图3，结果表明中间层连接板上的最大应力的分布范围比上层板大很多，因此更容易产生裂纹，后续重点分析中间层连接板的力学行为。

图4所示依次为ML沿纵向方向的塑形应变PE11在Step-3、Step-4[5]结束时的应变云图。从图4可以看出，计算完紧固件的干涉后，ML的塑性变形主要集中在堵孔上方，结合图4（b）可以得知在拉伸载荷作用后ML的塑性变形区域变得缓和了，究其原因是因为干涉的存在使得模型中产生了预应力，有效的提高了模型的寿命[3]。

图5为不同净间距下ML的应力S11在Step-4结束时的应力云图。从图中可以看出，不同净间距对ML的应力分布有明显的影响。为了更准确地反映不同净间距对孔边应力的影响，在三种不同模型的ML上均定义了一条沿最小横截面的直线，该直线分为三段，分别是AB、CD、EF，如图6所示，输出应力S11的变化趋势如图7所示，图中A、C、D、E分别表示的是模型中的孔边位置。

3 结论

从图7可以看出，不同净间距对路径AB上的S11应力分布基本上没有影响，而对路径CD和EF上的S11应力分布则有一定影响，其中路径CD尤为突出。从图7中可以得知，随着净间距的增大孔边（C和D）的应力S11均随之减小，减小了2.7%。这可能是因为随着净间距的增大，模型的不规则程度得到一定缓和，使得孔边应力的最大值也随之下降。随着净间距的增大E孔处的应力S11也随之增大，增大了2.3%，F孔处的应力S11则基本保持不变，这可以用圣维南原理来解释。

综上，净间距的变化主要影响了堵孔孔边（C、D和E）的S11应力分布，而且C和D孔处的S11应力与净间距的变化成反比，E孔处的S11应力与净间距的变化成正比。

【参考文献】

[1]FAR25 Airworthiness Standards：Transport Category Airplane[S].

[2]朱明华.飞机制造中几种常见超差问题的处理方法[J].军民两用技术与产品，2017（8）.

[3]姜杰凤，董辉跃，柯映林.高锁螺栓干涉连接中极限干涉量[J].机械工程学报，2013，49（3）：145-152.

[4]Chakherlou T N， Mirzajanzadeh M， Vogwell J.Experimental and numerical investigations into the effect of an interference fit on the fatigue life of double shear lap joints[J].Engineering Failure Analysis， 2009， 16（7）：2066-2080.

[5]翟斌，邹建胜，杨子伟，吴铁锋.金属结构紧固件孔短边距对孔边应力影响研究[J].科技视界，已录用.