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：V261：A：2095-2457（2018）18-0006-003DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.003【Abstract】Duringtheprocessoftheproductionandassemblyofaircraftmetalstructure，hollowholeoftenoccurs.Accordingtothedesignprinciple，anyhollowholeshouldbeplugged.Inordertoquantitativelystudytheeffectofholepluggingonholeedgestress，thenetspacingbetweenpluggingandadjacentfastenerisselectedastheresearchobjectandtheedgestressafterpluggingisresearched.Theconclusioncanbeusedtoguidetheevaluationofstrengthafterplugging.【Keywords】Plugging；Netspacing；FEM0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Interferencefit来定义，预紧力通过load模块下boltload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...