基于有限元方法计算飞机结构连接的细节载荷

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I he typica，) connection way of aircraft fasteners IS analyzed. chooseappropriate FEM simulate fasteners.Found FEM model of detail joint.Usefound the FEM model， simulate the complex configuration Indicate that theFEM result is accepted completely，engineering request is satisfied。

Key wordsfittings； fasteners； compatibility of deformation； finite element； flexibilitycoefficient在飞机结构疲劳评定中，准确确定连接细节处的细节疲劳额定值(DFR)将直接决定疲劳评定结果的准确性，而连接细节处端部紧固件载荷(R /P)是影，IDFR的关键参数之-。

对于简单、规则的连接件，通过解析法可以得到比较准确的钉载分布，进而得到R./P，但是对于连接形式复杂、紧固件排列不规则、空间结构等解析法就不能给出准确的钉载分布。采用有限元法对上述所有情况进行模型简化，通过单元的准确模拟，则可以精确地得到钉载分布。

本文描述了使用PATRAN有限元软件计算连接件端部紧固件载荷的2D建模方法、钉元刚度修正、钉元载荷读取以及给出了有限元计算结果和理论解对比结果。

在民用飞机设计中，国内现主要采用的是借助手册图表的人工细节分析方法，计算的准确性和效率受到制约。

1连接件端部紧固件载荷的解析法几种典型连接情况的钉载计算解析法只能计算连接形式简单、规则的连接件。该方法有如下基本假设：a) 结构均处在弹性范围以内；b) 忽略摩擦力和装配间隙的影响；C) 应力沿板横截面均匀分布。

根据力的平衡条件和变形协调方程，推出几种典型连接件的钉载分布，并以单剪连接件为例推导钉载分布 J。

单面搭接件(单剪连接件)曩圈件号L l其中il'2，1-l：( FnPl P- 49-单面重接件(非对称硬点连接件)紧圈件犏号1 己 3相邻两钉同授霸号图2 单面重接件连接形式图导R-善P警 喜( )il，2， -1 (2)：( 善尸双面搭接件(对称双剪连接件)； n- -l r 1， 基板- 带板 - l基板- 1 z -。

图3 双面搭接件连接形式图- P ∑i( )e C。 智l，2， -l (3)( 盟G-lP双面熏接件(非对称硬点连接件)紧圃件糖号1 2 3 n-1 h相邻两钉问板编号图4 双面重接件连接形式图- 喜( )i1，2， -l (4)( 等P夹层重接件/ ； h· -1 r ] /1/ 带板l -基板 - l图5 夹层重接件连接形式图%若 -若尸 i( )f1 2 -1 (5)( EL，P2连接件端部紧固件有限元单元的选择及修正使用有限元法计算连接形式复杂、紧固件排列不规 U、空间结构等连接形式，通过对模型合理简化、选取单元和对钉元刚度修正，可以准确得到钉载分布情况。

2.1 连接板单元选择据实际连接结构特点，被连接件主要承受板平面内载荷，同时还要能够承受面外载荷。

对于卞，通成以选用NASTRAN中的2D壳单元(Shel1)模拟，本文中选取4节点单元精度已经足够，单元每个节点有5个自由度，ulJ3个平动自由度和2个面外转动自由度。被连接板的厚度较宽度相比不再是小量，若采用2D壳单元模拟，会产生-定的误差，这时可以选用NASTRAN中的3D实体单元(Solid)模拟，通常4节点单元精度已经足够了，关于3D实体建模方法本规范不做介绍。

2.2 紧固件单元选择在实际结构中，紧固件主要承受剪切载荷和弯曲载荷，部分紧固件还承受拉伸载荷，而且紧固件两端对连接板的夹紧作用使得紧固件处连接板的抗弯刚度变大，因此，被选单元要能承受剪力、弯矩和轴力，同时需要对单元端点处进行处理来增加端点的刚度。

选用NASTRAN中的梁元(Beam)或弹簧元(Spring)模拟紧固件，并在单元端点添加MPc单元来模拟紧固件端部的刚度。梁元每个节点有6个自由度，113个平动自由度和3个转动自由度，对于短粗的紧固件，梁元的求解精度降低。弹簧元每个节点有1个自由度，允许单元0长度。

在有限软件建立紧固件单元时对相应的梁元和弹簧元刚度进行修正。

梁元的刚度修正梁元只需修正抗剪刚度K ◆固件的剪切刚度通常由试验确定，也可由经验公式求得。根据刚度的定义，其倒数为柔度系数C。已知3维6自由度单元节点力和单元节点载荷平衡方程为： 同 (6)对于我们所求解的紧固件载荷问题，关键是求解粱元在连接板平面内的盼力，此剪力为紧网件承受的载荷。则对于实心圆形截面的紧围件2维双向受翦梁的刚度矩阵KI可写为K，kl 00 1- 1 00 -1- l 0O -ll 0O l(7)上式中，k为刚度系数，与柔度系数C成倒数关系，则有k 1 (8)C f1b)l最终可得到适用于圆形实心紧固件修正钉元材料弹性模薰的公式LjE： 十-2al(I-v)： -l(7-6v) (9)12/(7 CA 3zDC 3CA其-pb12aEI/GAI 24a/(1v)tm ：A为梁截丽面积；为粱材料弹性模量：( 为梁剖断的扭转刚度；G为梁材料抗剪模鬣；zD /64为截面惯性矩，D为粱单元直径；Ⅱ为不均匀分布因子，a76v/6(1 ：为粱单元材料泊松比；I1 ，为菜单几长度 。

弹簧元刚度修正NASTRAN中的弹簧元是-维单元，只能输出单-方向的载荷，因此用弹簧元模拟紧固件时，至少需要建立3个重合的单元，分别模拟紧固件受拉和两个方向的受剪情况。