CN108169013B - 一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法，属于飞机强度设计技术领域。步骤一、以3钉连接件中值寿命与试验载荷谱为基础，采用应力严重系数法进行寿命计算，不断调整理论疲劳极限C值，使得计算寿命与试验寿命相同，得到校准值；步骤二、按照材料疲劳极限随应力集中系数的变化关系，计算得到3钉试件的理论疲劳极限值，并获得3钉理论疲劳极限值与步骤一中的疲劳极限校准值的修正系数K；步骤三、结合2钉和4钉的理论疲劳极限值及修正系数K,分别获得2钉和4钉的疲劳极限校准值。在使用应力严重系数法对连接结构进行疲劳寿命预测时，本发明可在改变连接试件钉数的情况下，仍保证计算所得的多钉连接试件的疲劳寿命具有较高的精度。

Description

一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法
技术领域
本发明属于飞机强度设计技术领域，具体涉及一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法。
背景技术
对多钉连接试件进行疲劳分析时，由于连接件存在钉传载荷，钉与孔间存在配合产生的复杂非线性效应，并且连接件中钉数的随机性，导致目前尚未有一个普遍适用的高精度损伤累积模型能较好地预测该结构形式下的疲劳寿命。
但通过研究发现，钉数不同的连接结构的疲劳寿命之间往往存在一定的相关性，因此可以通过个别已完成的连接结构的疲劳试验结果，对其他钉数的连接试件的疲劳寿命进行预测，这就是校准的基本思路。基于上述疲劳寿命校准的基本思路，本发明提出一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法，利用该方法预测不同钉数时连接试件的疲劳寿命均具有较高的计算精度。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法，该方法可在改变连接试件钉数的情况下，仍保证计算所得的疲劳寿命具有较高的精度。
本发明的技术方案：一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法，基于3钉连接件的试验结果建立多钉连接试件疲劳寿命校准方法，采用该校准方法计算2钉和4钉连接件的寿命；
包括以下步骤：
步骤一、以3钉连接件中值寿命与试验载荷谱为基础，采用应力严重系数法进行寿命计算，不断调整理论疲劳极限C值，使得计算寿命与试验寿命相同，得到校准值；
a)、获取对应于关键部位应力严重系数的S—N曲线；
Figure GDA0002358455220000021
其中，C为理论疲劳极限；α，A为S-N曲线形状参数；
b)、确定名义应力法中的敏感参数；
对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值基本相同；
确定理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数；
c)对理论疲劳极限C进行优化；
根据预先指定的载荷应力谱，确定其对应的中值寿命t50为目标进行优化；
设定初始值，并不断调整理论疲劳极限C的取值，反复利用名义应力法计算中值寿命，直至计算寿命等于设定的目标中值t50，此时对应的C值即为修正后的S-N曲线三参数式中的C值；
步骤二、按照材料疲劳极限随应力集中系数的变化关系，计算得到3钉试件的理论疲劳极限值，并获得3钉理论疲劳极限值与步骤一中的疲劳极限校准值的修正系数K；
步骤三、结合2钉和4钉的理论疲劳极限值及修正系数K,分别获得2钉和4钉的疲劳极限校准值。
本发明技术方案的有益效果：本发明在使用应力严重系数法对连接结构进行疲劳寿命预测时，利用本发明中的校准方法，可在改变连接试件钉数的情况下，仍保证计算所得的多钉连接试件的疲劳寿命具有较高的精度。
附图说明
图1为本发明一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法的一优选实施例的流程示意图。
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。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示：本发明一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法，基于3钉连接件的试验结果建立多钉连接试件疲劳寿命校准方法，采用该校准方法计算2钉和4钉连接件的寿命。由于连接件存在钉传载荷，钉与孔间存在配合产生的复杂非线性效应，因此本发明基于应力严重系数法建立多钉连接试件的寿命校准方法。
应力严重系数法是一种属于名义应力法范畴的分析方法，其核心是确定连接件的应力严重系数(SSF)及对应的细节疲劳S-N曲线参数。通过有限元细节分析，得到钉孔处的旁路载荷、传递载荷，进而求出孔边的应力严重系数，该计算结果通常是没有争议的。因此寿命校准方法的关键是校准确定与材料、紧固件、加工质量、配合情况有关的细节疲劳S-N曲线参数，其S-N曲线表达式采用三参数式，形式如下：
Figure GDA0002358455220000031
式中，C为理论疲劳极限；α，A为S-N曲线形状参数。
将上式三个参数作为敏感参数进行优化，从而校准S-N曲线提高寿命计算精度。参考以往大量的试验结果发现，对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值基本相同。因此本发明中校准方法将α、A取为定值，理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数。
多钉连接试件紧固件数量对疲劳性能的影响直接表现为对应力严重系数的影响，因此首先计算得到不同钉数量对应的应力严重系数，然后确定疲劳性能参数。在确定疲劳性能参数时，假定：疲劳S-N曲线校准的实质是对S-N曲线中的疲劳强度进行修正，即在材料S-N曲线的基础上，将疲劳极限乘以考虑细节几何、孔的加工质量、钉的装配工艺等因素影响的修正系数k。对按相同材料和工艺加工得到的多钉连接试件，假定疲劳强度修正系数k与钉数量无关，即不同数量钉连接件的理论疲劳极限与实际细节疲劳极限的比值k与钉的数量无关。
以3钉连接件中值寿命与试验载荷谱为基础，采用应力严重系数法进行寿命计算，不断调整C值，使得计算寿命与试验寿命相同，得到校准值。
同时按照材料疲劳极限随应力集中系数的变化关系，计算得到3钉试件的理论疲劳极限值，并将上述两个数值作比得到k值。
根据得到的k值并结合计算得到的2钉和4钉试件的理论疲劳极限值，即可得到校准后的2钉和4钉连接件的疲劳极限，并基于该疲劳性能参数对寿命进行预测。疲劳寿命校准具体流程如图1所示。
本实施例中，细节疲劳S-N曲线的校准过程如下:
1)疲劳S-N曲线的形式
S-N曲线表达式采用三参数式，形式如下：
Figure GDA0002358455220000041
式中，C为理论疲劳极限；α，A为S－N曲线形状参数。
2)取细节S-N曲线中的α，A为与SSF较为接近的Kt下的材料S-N曲线参数α，A值；
(3)以3钉连接件中值寿命与试验载荷谱为基础，采用应力严重系数法进行寿命计算，不断调整C值，使得计算寿命与试验寿命相同，得到校准的C3值；
(4)对其他多钉连接试件的S-N曲线疲劳极限，按以下步骤进行计算：
①按材料疲劳极限随应力集中系数的变化关系CM＝a+blgKt计算得到Kt等于3钉连接件的SSF时的CM，3值，即为3钉试件的理论疲劳极限值；
②计算校准的疲劳极限C3与①中理论疲劳极限的比值k，k＝C3/CM，3；
③按CM＝a+blgKt计算得到Kt分别等于2钉和4钉连接件的SSF时的CM，2值和CM，4值，即为2钉和4钉试件的理论疲劳极限值；
④将②中计算得到的k乘以③中计算得到的CM，2值和CM，4值，即为经过校准后的2钉和4钉连接件的疲劳极限C2、C4。
根据得到的k值并结合计算得到的2钉和4钉试件的理论疲劳极限值，即可得到校准后的2钉和4钉连接件的疲劳极限，并基于该疲劳性能参数对寿命进行预测。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种适用于多钉连接试件的疲劳寿命校准方法，其特征在于：
基于3钉连接件的试验结果建立多钉连接试件疲劳寿命校准方法，采用该校准方法计算2钉和4钉连接件的寿命；
包括以下步骤：
步骤一、以3钉连接件中值寿命与试验载荷谱为基础，采用应力严重系数法进行寿命计算，不断调整理论疲劳极限C值，使得计算寿命与试验寿命相同，得到校准值；
a)、获取对应于关键部位应力严重系数的S—N曲线；
Figure FDA0002358455210000011
其中，C为理论疲劳极限；α，A为S-N曲线形状参数；
b)、确定名义应力法中的敏感参数；
对于同种材料，不同表面质量的试件S-N曲线的参数α、A取值基本相同；
确定理论疲劳极限C为需要优化的唯一敏感参数；
c)对理论疲劳极限C进行优化；
根据预先指定的载荷应力谱，确定其对应的中值寿命t50为目标进行优化；
设定初始值，并不断调整理论疲劳极限C的取值，反复利用名义应力法计算中值寿命，直至计算寿命等于设定的目标中值t50，此时对应的C值即为修正后的S-N曲线三参数式中的C值；
步骤二、按照材料疲劳极限随应力集中系数的变化关系，计算得到3钉试件的理论疲劳极限值，并获得3钉理论疲劳极限值与步骤一中的疲劳极限校准值的修正系数K；
步骤三、结合2钉和4钉的理论疲劳极限值及修正系数K,分别获得2钉和4钉的疲劳极限校准值。
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