CN107451365A - 一种集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法 - Google Patents

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杨洲峰
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Abstract

本发明涉及一种集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其包括(1)初步受力分析；(2)长螺栓的接触非线性分析；(3)长螺栓的材料非线性分析；(3)结构的网格剖分；(4)求解计算。本发明的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法具有如下优点：1)对大长细比、大集中载荷下的连接螺栓进行精确应力分析，真实模拟螺栓强度；2)对复杂受力状态的连接用长螺栓进行变形模拟，并对刚度条件进行符合性验证；3)高精度的强度刚度模拟解决了“结构重量偏于保守”的问题，有效减轻结构重量。

Description

一种集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法
技术领域
本发明属于飞机结构强度计算技术领域，尤其涉及一种集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法。
背景技术
连接结构广泛应用于飞机各个部位之间的连接，部位与部位之间的集中载荷传递多采用螺栓与耳片的结构形式，这种结构形式可传递较大的载荷。然而，采用单双耳及长螺栓连接的连接机构中，连接机构一般为多个单双耳连接结构，而为了将每个单耳均插入相应的双耳中，单耳与双耳之间的公差范围会很大，由此带来的影响是耳片厚度大、单双耳之间结构间隙大使得连接用的长螺栓受力状态变得复杂。
在上述使用环境中的大长细比、大耳片配合间隙的连接螺栓受力形式不再是纯剪，而是弯剪复合的受载形式，连接螺栓既要满足强度设计要求，又要满足变形刚度条件。若飞机运动机构关节部位经常出现连接螺栓由于变形，导致其拆卸互换性较差。
上述的单双耳连接结构的现有计算方法中普遍采用两种计算方法，一种是平均分配法，另一种是三角分配法。
参见图1所示即为平均分配法：
连接螺栓弯曲应力而W＝1/32πD3。
式中：t1、t2为单双耳厚度；g为单双耳间隙；W为连接螺栓抗弯截面系数；b为弯曲力臂；M为连接螺栓最大弯矩，D为连接螺栓直径，P为外载荷。
若σw≤σ0.2，则σe＝σw；若σw>σ0.2，进行塑性修正，因此连接螺栓弯曲应力为
上式中，σ0.2为连接螺栓屈服强度，σe为连接螺栓弹性极限，σe为连接螺栓弹性极限。
依据计算结果，连接螺栓危险剖面复合应力：
参见图2所示的三角分配法：
连接螺栓弯曲力臂：
三角分配法连接螺栓弯曲应力计算及强度条件同平均分配法类似。
上述两种计算方法求解精度较低，计算结果偏于保守，连接结构会背负较大重量(多余重量)，因此亟需确定一种方法对集中传载长螺栓进行精准强度和刚度评估计算，以减少连接机构的多余重量。
发明内容
本发明的目的是提供一种，解决目前。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，所述长螺栓连接由单、双耳结构组成的连接结构，其包括
(1)初步受力分析
简化连接结构中的次要受力因素，将主要受力因素进行分解，并建立连接结构的有限元模型；
(2)长螺栓的接触非线性分析
连接机构中集中载荷由单双耳通过长螺栓传递，建立长螺栓-单耳、长螺栓-双耳的接触对用于模拟连接结构的实际传力路线；
(3)长螺栓的材料非线性分析
连接结构传载过程中局部屈服产生塑形流动，对材料塑性段线性化分解近似处理，用于对应力水平、载荷传递路径进行精确模拟；
(3)结构的网格剖分
对长螺栓与耳片接触的高应力区域进行小尺寸二次六面体网格剖分，用于模拟长螺栓结构传载及关键部位应力水平，对其他区域进行一次的粗网格剖分；
(4)求解计算，获取长螺栓的关键部位的应力及变形数据，依据应力及变形数据确定长螺栓的强度及刚度条件是否合理；若不合理，对长螺栓结构进行加强，并重复步骤1至4。
本发明一优选实施例的是，次要受力因素包括长螺栓的螺纹牙形式、与长螺栓配合的螺母的外形。
本发明一优选实施例的是，对材料塑性段线性分解过程中取多个点，点的个数不少于3个。
本发明一优选实施例的是，小尺寸网格的大小为1mm～2mm。
本发明一优选实施例的是，所示粗网格的网格尺寸大于所示小尺寸网格的尺寸。
本发明一优选实施例的是，加强长螺栓结构的方法包括增加长螺栓的直径，将其设为空心结构。
本发明的的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法具有如下优点：
1)对大长细比、大集中载荷下的连接螺栓进行精确应力分析，真实模拟螺栓强度；
2)对复杂受力状态的连接用长螺栓进行变形模拟，并对刚度条件进行符合性验证；
3)高精度的强度刚度模拟解决了“结构重量偏于保守”的问题，有效减轻结构重量。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为现有技术的平均分配法示意图。
图2为现有技术的三角分配法示意图。
图3为本发明一实施例的典型长螺栓连接结构示意图。
图4为本发明一实施例的典型长螺栓连接结构局部示意图。
图5为本发明一实施例的长螺栓与单双耳的塑形流动示意图图。
图6为本发明一实施例的连接结构网格划分示意图。
图7为本发明一实施例的长螺栓等效应力云图。
图8为本发明一实施例的长螺栓等效塑性应变云图。
图9为本发明一实施例的长螺栓变形分布图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
图3是某型飞机中典型承受大载荷、大细长比的长螺栓连接结构，考虑连接件附近的金属进入塑性的本构行为及连接件之间的约束关系，开展大间隙螺栓连接结构的强度应力分析、结构变形分析研究。
步骤一：对用长螺栓连接单双耳的连接结构进行受力形式的初步工程分析，对连接结构中的次承力受力因素不予考虑，对主要的关键结构进行细节分解，并建立连接结构的有限元模型。
局部放大图如图4所示，双耳2、单耳1通过长螺栓1连接，在单耳1和双耳2之间存在较大的空隙，经过初步分析可知，长螺栓1承受弯剪复合的力，因此忽略长螺栓的螺纹牙形式、与长螺栓配合的螺母的外形等次要受力因素，将螺母、螺杆建为一体整体受力。
步骤二：经过分析长螺栓3与单耳1、双耳2的实际接触状态变化，建立长螺栓3-单耳1、长螺栓3-双耳2的摩擦弹塑性接触对用以模拟连接结构的实际传力路线。
具体到本实施例中，以图3和图4所示的连接结构为例，在外载荷F作用下，长螺栓3受力复杂，对于单个长螺栓3共建立了4对接触对，分别为长螺栓头-双耳2、长螺杆-双耳2、长螺杆-单耳1和螺母-单耳1的接触对，参见图4中虚线所示部分。
步骤三：由于连接结构的局部进入塑性变形，在分析中加入材料非线性的对分析结果的影响，对连接机构中的材料塑性段进行线性化分解近似处理，处理目标为线性处理，如图5所示为长螺栓与单双耳的塑形流动示意图，在材料的塑形段截取若干个关键点参数，关键点的个数尽量大于等于三个，将关键点参数进行材料非线性模拟，输入长螺栓及单双耳相应的塑性数据，如此便能对应力水平、载荷传递路径进行精确模拟；
步骤四：对长螺栓与耳片接触的高应力区域进行小尺寸二次单元六面体网格剖分以模拟连接结构的载荷传载及部位应力水平，对其他区域进行一次的粗网格剖分，结构有限元网格图见图6。
其中上述的高应力区包括长螺栓的整个区域以及上述建立接触对的区域。另外在本实施例中，上述的小尺寸网格的尺寸约为1mm～2mm，粗网格的尺寸一定大于小尺寸网格的尺寸。
步骤五：选择求解器求解，由于此问题数以准静态求解，选用ABAQUS/Standard静态求解器进行有限元精确应力及变形求解，获得长螺栓3的应力及变形数据。依据仿真计算结果查看应力及变形，确定连接结构的高应力区应力水平，并得出长螺栓3的强度，以及查看长螺栓3的关键部位的变形数值，依据刚度指标确定长螺栓3刚度是否合理。若不合理，则对长螺栓3进行结构改进，改进方法如增加长螺栓3的直径、将长螺栓3由实心改为开心等。
本实施例的静力求解得到长螺栓结构的应力及变形云图参见图7至图9。图7的长螺栓等效应力云图表明，耳片间隙部位的应力数值最高，为强度危险部位；从图8的长螺栓等效塑性应变云图可看出，长螺栓3变形较大，拆卸不方便；图9为综合图7与图8的长螺栓变形分布图。
原始输入条件(本实施例参数：t1＝5mm，t2＝10mm，g＝5mm，D＝10mm，F＝65000N)情况下通过试验得到了得到了连接螺栓典型部位的试验应变数值，并和现有技术中的平均分配法、三角形分配法以及本发明的分析方法进行数值比较，见表1。
表1典型剖面实测应变与分析应变对比
表1的典型剖面试验应变与分析应变对比表明，本发明采用非线性有限元计算的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法精度高，最大误差不超过6％，而工程方法对评估计算类似大间隙集中传载结构具有保守性，最大保守量达44％。本发明的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法针对载荷量级大、受载复杂的细长螺栓，给出了一种分析其强度和刚度的方法，克服了传统“工程方法”、“经验法”的缺陷。
综上，本发明的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法具有如下优点：
1)对大长细比、大集中载荷下的连接螺栓进行精确应力分析，真实模拟螺栓强度；
2)对复杂受力状态的连接用长螺栓进行变形模拟，并对刚度条件进行符合性验证；
3)高精度的强度刚度模拟解决了“结构重量偏于保守”的问题，有效减轻结构重量。
本发明的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法采用非线性有限元分析法，极大的缩短了研制周期、降低了研制成本，其适用于大长细比(螺杆直径大于等于3)的集中传载长螺栓连接螺栓强度、刚度评估计算，本发明具有较大实际应用价值，已在多个型号飞机结构的集中传载连接件中使用。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其特征在于，所述长螺栓连接由单、双耳结构组成的连接结构，所述集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法包括
(1)初步受力分析
简化连接结构中的次要受力因素，将主要受力因素进行分解，并建立连接结构的有限元模型；
(2)长螺栓的接触非线性分析
连接机构中集中载荷由单双耳通过长螺栓传递，建立长螺栓-单耳、长螺栓-双耳的接触对用于模拟连接结构的实际传力路线；
(3)长螺栓的材料非线性分析
连接结构传载过程中局部屈服产生塑形流动，对材料塑性段线性化分解近似处理，用于对应力水平、载荷传递路径进行精确模拟；
(3)结构的网格剖分
对长螺栓与耳片接触的高应力区域进行小尺寸二次六面体网格剖分，用于模拟长螺栓结构传载及关键部位应力水平，对其他区域进行一次的粗网格剖分；
(4)求解计算，获取长螺栓的关键部位的应力及变形数据，依据应力及变形数据确定长螺栓的强度及刚度条件是否合理；若不合理，对长螺栓结构进行加强，并重复步骤1至4。
2.根据权利要求1所述的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其特征在于，次要受力因素包括长螺栓的螺纹牙形式、与长螺栓配合的螺母的外形。
3.根据权利要求1所述的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其特征在于，对材料塑性段线性分解过程中取多个点，点的个数不少于3个。
4.根据权利要求1所述的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其特征在于，小尺寸网格的大小为1mm～2mm。
5.根据权利要求3所述的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其特征在于，所示粗网格的网格尺寸大于所示小尺寸网格的尺寸。
6.根据权利要求1所述的集中传载的长螺栓强度及刚度分析方法，其特征在于，加强长螺栓结构的方法包括增加长螺栓的直径，或将其设为空心结构。
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