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高锁螺栓干涉安装及其对螺接结构力学性能的影响

姜杰凤  
【摘要】:飞机结构疲劳破坏有85%发生在铆接和螺接等机械连接部位,干涉配合(过盈)是有效提高飞机机械连接结构疲劳寿命的工艺措施。飞机装配中,对于如何科学恰当地进行高锁螺栓干涉安装,尚缺乏理论指导。本文借助理论分析、有限元模拟和试验验证的手段,对高锁螺栓干涉连接问题进行系统研究,分析并揭示干涉安装工艺参数对凸瘤、残余应力和螺接结构力学性能的影响规律。第一章论述了干涉强化技术应用概况,详细分析了干涉配合安装和螺栓连接结构承载力学性能的研究现状,指出了螺栓干涉连接研究的不足,进而给出了本文的主要研究内容和总体框架。第二章将螺栓视为弹性体,进行干涉配合理论分析。借助弹塑性力学中厚壁筒理论,在弹性范围内,推导了板件孔壁接触应力及最大弹性干涉量公式;在弹塑性范围内,建立了塑性区尺寸和干涉量的关系式。另外,建立了单板干涉安装有限元模型,通过实例,将理论解和有限元结果进行了对比分析,相对误差在可接受范围内。第三章建立了高锁螺栓干涉安装的二维轴对称有限元模型,对一定干涉量范围内的螺栓静态压入过程进行了模拟和试验研究,通过对比压入力和凸瘤等,验证了有限元模型的正确性。分析并获得了安装后应力分布和孔变形(孔壁弯曲和凸瘤)随干涉量的变化规律。通过应力分析,揭示了试验件孔周压痕以及出口凸瘤处裂纹现象的科学实质。针对M8高锁螺栓在铝合金叠层结构上的安装问题,综合分析应力分布和孔出口凸瘤尺寸,给出了干涉量应控制在2%以内的应用原则。第四章研究了干涉安装工艺参数对凸瘤和压入力的影响。运用滑移线场理论对凸瘤的产生进行了定性分析;通过有限元方法模拟了高锁螺栓干涉安装中凸瘤的形成过程。分析了干涉量、摩擦系数、顶铁中孔直径、孔出口倒角、预压紧力等工艺参数对凸瘤的影响,获得了减小凸瘤的最佳工艺参数取值。另外,研究并揭示了干涉量、板件厚度、螺栓导入部几何形状、摩擦条件等工艺因素对压入力的影响规律。第五章研究了干涉量对安装残余应力的影响。假设应力分布均匀、无应力集.中时干涉量为最佳,分析了高锁螺栓干涉安装后的叠层板孔壁和底面孔周残余应力变化,获得干涉安装最佳干涉量。另外,研究了干涉螺栓压入后孔壁和叠层结合面孔周环向(切向)残余应力分布,揭示了环向应力随干涉量的变化规律。第六章为了更加直观地分析干涉安装对螺接结构力学性能的影响,建立了三维有限元模型,对螺栓干涉安装和结构承载过程进行了连续模拟。设计制作了单剪叠层连接试验件,进行了高锁螺栓干涉配合压入、螺母拧紧、结构有限次循环拉伸试验;通过对比压入力和拉伸阶段应变等,验证了有限元模型的正确性。以干涉量为主要参数,分析了最大拉伸载荷时干涉螺接结构孔周及上层板结合面上的应力变化。此外,还研究了其它参数如夹紧力、摩擦系数、叠层区域几何尺寸、载荷幅值等对结构拉伸时局部应力的影响规律。最后,对单叠层干涉螺接件进行了拉伸破坏试验和相应的有限元分析。第七章对全文的研究工作进行了总结,并对有待进一步研究的内容进行了展望。


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