高锁螺栓干涉连接中极限干涉量

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M aximum Interference Fit Size of Hi.1ock Bolted JointsJIANG Jiefeng DONG Huiyue KE Yinglin(Department of Mechanical Engineering，Zhiang University，Hangzhou 3 1 0027)Abstract：Interference fit is an efective process method for improving fatigue life ofboltedjoints.The finite element model(FEM)is developed and the process of oversized titanium aloy hi-lock bolt pressed into a hole is simulated.At diferent interference fit size，the maximum stress values on hi-lock bolt and hole wall and the stress distribution characteristics oflap plates are presented，thesimulation result shows that maximum interference fit size is 2.O%for hi-lock bolt static installation.then the law ofplastic zone sizeand protuberance size on lap plates with the interference fit size increasing are also investigated.Base on the num erical simulation，the experimental test of hi-lock bolt instalation is done，by the comparison of test result and simulation prediction on squeeze forceand protuberance height at hole exit，the num erical simulation is validated.Th e reason of cracking or latency crack at hole exit ofspecimen having the concavity around holes is studies，an dthe experimental protuberance scope size efected on the fatigu e fretingof bolted joints is also analyzed.which shows that the interference-fit size should be less than 2.O%。

Key words：Hi-lock bolt Interference fit Num erical simulation Maximum stress Protuberan ce0 前言螺栓连接是飞机装配制造中最重要的机械连接方式之-，由于飞机整体结构的应用不断增加，飞机连接件中铆钉数量逐渐在减少，而螺栓连接件的密度不断增加lJ。在飞机上主要的承力部件的连接处，如飞机翼梁、接头、机身大梁、加强框等重要结构部位，为提高结构抗疲劳能力大量使用干涉配合螺栓连接。因钛合金高锁螺栓具有强度高、重量轻、可控预载荷、高疲劳寿命等特点，在飞机装·国家 自然科学基金(5 1275463)和中央高校基本科研业务费专项科研基金(2011FZA4002)资助项目 20120229收到初稿，20121120收到修改稿配中得到了广泛的应用，B747上钛合金高锁螺栓的使用有4万件之多，我国某型号军机上也使用了约2万件 ，最近几年我国也在积极进行先进钛合金高锁螺栓和高锁螺母的国产化研制工作j圳。钛合金高锁螺栓用作干涉配合连接紧固件，带来飞机结构减重和提高疲劳寿命的双重效果。另外在飞机修补当中，高锁螺栓干涉连接也常作为重要的解决方案被采用[5]o -干涉配合在板件上孔的周围产生较大的径向预压应力，在交变载荷的作用下，使孔边缘处应力变化的幅度显著降低，推迟疲劳裂纹的产生，从而提高疲劳寿命。前苏联学者o 推导了干涉量小于0.4%时夹层板上孔周的应力方程，因夹层材料仍处于弹性范围内，只适合于低应力水平的结构；在弹机 械 工 程 学 报 第 49卷第 3期塑性范围内的干涉配合计算相当复杂；刘莉等 将干涉配合螺接简化为平面应力问题进行了解析计算，分析了塑性区尺寸同疲劳寿命的关系；郭兰中等 运用试验方法测量干涉配合的应变值；推算出应力值来研究预应力，但都限于分析某-平面上的应力，未能考虑孔周应力沿板厚方向的分布。现代有限元模拟技术在计算弹塑性和复杂接触问题方面极具优势，为全面分析干涉配合问题提供了有效途径。

干涉量是干涉配合连接中最重要的工艺参数之-，螺栓连接中，d为螺栓直径，D 为孔直径，以相对干涉量的形式表示的干涉量可定义为： d-D×100% (1) D合理的干涉量能使结构获得极大的疲劳增益，西北工业大学干涉配合小组所做的干涉铆接疲劳试验显示，在O～3%干涉量范围内疲劳寿命随着干涉量增大而增大 。国外学者用直径 5 mm钢销代替螺栓研究了多个干涉量下单层航空铝板螺接构件的疲劳寿命 ，但未能说明干涉配合螺栓连接的最佳干涉量范围和极限干涉量。我国螺栓干涉连接的应用水平较低，某运输机上采用 M8螺栓的干涉配合螺接的干涉量仅为 0.05%0.35%I，目前国内现有的-些螺栓连接的干涉量范围参考值也大都从国外资料上获得，未经过深入研究。-项干涉螺栓安装试验研究中，孔周围有压痕的试验件上在孔出口凸瘤处发现裂纹u引，Boeing727飞机结构的破坏评估和疲劳测试表明疲劳破坏可归因于飞机装配时铆接所产生的残余应力集中L1 ，可见干涉配合螺栓安装后孔壁及孔周的残余应力集中是影响疲劳寿命的-个根本原因。本文将对各干涉量下高锁螺栓安装进行数值模拟，分析模拟安装的孔壁最大残余应力和应力分布特点、凸瘤处应力集中、塑性区尺寸等，寻求对疲劳寿命最有利的极限干涉量。同时进行干涉配合螺栓安装试验，对比试验和模拟的压入力及孔出口凸瘤大小，验证数值模拟的真实性。

1 有限元建模与模拟目前干涉型高锁螺栓的安装方式主要有气铆压入、压铆。气铆方法在压入过程中多次冲击会对孔壁造成-定损伤，-般适用于小干涉量的高锁螺栓安装。国外对于直径较大、干涉量较大干涉螺栓的安装主要采用压铆机进行静态压入安装。大型飞机装配中大量使用 M6和 M8的高锁螺栓L6j，相比较于M5和M6，M8高锁螺栓直径较大，在同等干涉量时，实际过盈量大，安装难度大，国内应用缺乏理论和试验指导。本次研究对象选择 M8钛合金高锁螺栓，分析不同干涉量下安装残余应力及变形情况。

1.1 结构简化和建模为了便于进行有限元计算又不失真，对高锁螺栓模型进行必要的简化，省略掉螺纹段，如图 1所示，本例中螺栓导入部设计为-段半径为2.5 illn、25∏的圆弧，有利于减小压入力和压入过程中对孔壁的损伤L6j；干涉连接结构件由两层铝合金板组成，厚度分别为 5 I/IlTI、5 mil，半径为 20 mm(大于3倍螺栓半径)；高锁螺栓和结构件的材料力学性能