航空金属结构螺栓连接件疲劳及寿命试验分析

郝柏森

沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁 沈阳 110034

自飞机发明后发生事故带来灾难后果，航空飞行器安全性是研究人员关注的问题。航空结构中连接件包括机械连接等类型，胶结连接通过胶粘剂将零件连接，机械连接通过紧固件将零件连接。机械连接法使用广泛，包括螺栓与铆钉连接。螺栓连接在自身性能等方面更具优势。航空结构中连接部位通常为材料结构静强度薄弱环节，螺栓连接将零件打孔后连接，产生残余应力时，由于几何性质突变产生应力集中，导致连接处结构失效。计算分析控制连接处应力非常必要。需要考虑重量及提高静强度，使材料用于结构后发挥自身性能。

1 航空金属结构典型连接件疲劳实验

试验法是确定结构寿命的主要方法，连接件对应的应力集中现象严重，研究航空金属结构典型连接件疲劳寿命，需要通过实验研究测定疲劳性曲线。航空金属结构典型连接件疲劳寿命实验测定其静强度，验证复杂连接疲劳寿命估算结果。运用有限元分析应力分布情况，进行应力严重系数法寿命估算工作[1]。实验内容包括静强度实验，谱载作用下疲劳寿命测定。对实验中破坏试样典型断口进行金相分析，分析其破坏机理。

试验标准按ASTM标准法，试验应力比R=0.1，试验环境为大气室温，根据试验件有效面积估算试验荷载，观测疲劳裂纹萌生时间。实验前对连接件试样检查，确定表面状态等满足实验计划要求。静力试验中连接件取4个试样，1件用以测定破坏荷载，测定荷载-应变曲线试验中，测定指定位置在荷载下的应变值，为估算连接件疲劳寿命做好准备。疲劳实验对不同连接件采用恒定荷载加载方法进行。八铆单搭连接件采用两种方法进行疲劳实验，在1种荷载水平低-高-低疲劳块谱下进行疲劳实验。连接件疲劳试验试件破坏模式为铆钉孔边开裂。对单螺双塔连接件试样采用成组法实验，试样主要破坏模式为薄板孔边拉断。进行疲劳实验包括测定部分连接件疲劳S-N曲线，测定部分连接件在谱载下的疲劳寿命。

2 航空金属结构连接件疲劳寿命计算

疲劳寿命分析方法包括局部应力应变法等，名义应力法及应力功恒等方法工程中应用广泛。以简单连接件S-N曲线估算复杂连接件疲劳寿命相似细节法，验证方法的精度。用相似细节估算法具有相似细节的复杂连接件疲劳寿命，建立校核有限元模型，计算孔边细节应力，用DFR方法进行寿命估算，将分析方法估算结果与相似细节法对比验证有效性。相似细节法是利用简单连接件测定实验数据拟合疲劳S-N曲线，以复杂连接件加载形式估算疲劳寿命。

采用单螺双塔连接件测出S-N曲线估算寿命，第1组测定试样结果不具有特征性，后3组估算寿命结果接近，说明单螺双塔连接件S-N曲线估算连接寿命具有较好精度。说明简单连接件疲劳性能数据估算方法具有有效性。DFR法以结构细节固有疲劳性能品质DFR指为疲劳性能参数估算疲劳寿命，是目前民机疲劳寿命估算常用方法。采用DFR法计算连接件疲劳寿命与实验测试接近，采用DFR法估算连接件谱载疲劳寿命结果接近，DFR法需查询较多细节参数。

根据理论分析需要对连接件进行有限元建模分析，与静强度实验结果对比。通过与试验荷载-应力曲线对比，对连接件孔边进行单元网格细化，考虑螺栓对孔的挤压效应满足数值模拟结果的精确度。连接件有限元模型计算结果能吻合实验测定结果，螺接钢连接件测点有限元模拟荷载-应变曲线位于实验曲线簇内。连接件有限元模型能模拟静强度实验荷载，数值模拟结果精确吻合实验结果。

3 应力集中系数曲线拟合

应力严重系数法主要用于估算飞机结构连接件疲劳寿命，核心问题是求得连接件应力严重系数。运用有限元分析法，模拟单螺连接件不同尺寸系数下应力集中系数变化曲线。通过对模型尺寸调整，得到有限元模型进行模拟计算，为探讨应力严重系数法部分参数值的关系，为实验研究进行准备。单螺双塔铝合金连接件孔边尺寸进行调整，得到不通尺寸系数建立有限元模型。连接件材料采用7050-T7451。

建立有限元模型使用SOLIDWORKS建立三维模型，对模型进行网格划分，连接件采用六面体单元类型，螺栓孔周围对网格进行细化划分。有限元模型中对连接件长轴方向施加静载，有限元模型设置荷载条件，单螺双塔离连接件需施加预紧力。根据有限元模型得到螺栓传递荷载，纯涤荷载等于荷载R，连接件应力集中系数计算公式为Ktg=σmax/σn，σmax为主应力最大值，σn为名义应力。计算应力集中系数最大应力为连接件最大主应力。得到连接件在静载下最大主应力数值结果。对比紧固件连接对称带孔板应力集中系数曲线，判断螺栓夹紧力对孔边应力影响造成趋势相反。普通紧固件对连接件作用力小，螺栓连接件板件宽，夹紧力影响明显。根据连接件模型最大主应力数值结果，得出挤压应力集中系数Ktb与尺寸系数d/W对应关系，与连接件加油应力集中系数曲线具有相同变化趋势。

4 结束语

本文对航空金属螺栓连接件疲劳寿命问题探讨相似细节分析法，使用其他常用疲劳分析法对铝合金连接件疲劳寿命估算，测定双螺连接件疲劳寿命，验证相似细节法估算精度。相似细节法以简单连接件疲劳S-N曲线为相似细节S-N曲线，估算复杂连接件谱载疲劳寿命，与实验结果对比具有较好的估算精度；相似细节法不需众多材料，估算过程简便；相似细节法仅需测定简单连接件疲劳寿命可估算，成本较低。本文研究可为航空螺栓连接件疲劳寿命分析提供参考。