螺栓孔垂直度對螺栓承載能力的影響分析

趙秀峰，彭 芳，鄭茂亮，陳小剛，王成文

(中航工業(yè)一飛院，陜西 西安 710089)

1 引 言

飛行器設(shè)計中，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的連接是非常重要的設(shè)計環(huán)節(jié)之一，通常使用的連接形式有螺栓螺接、鉚釘鉚接以及通過樹脂等材料進行膠接等。其中，螺栓連接因具有高可靠性、高承載性、易于檢修等優(yōu)點而得到廣泛的應用[1]。因此，螺栓失效是飛機連接失效的主要模式之一，其危害很大[2]。然而，在制孔和安裝過程中的幾何誤差、初始損傷、孔軸配合誤差以及螺栓緊固力偏差等會影響螺栓的實際承載能力[3]。

目前，針對螺栓孔軸配合間隙和螺栓緊固力對螺栓承載能力影響的研究較多(如Kelly等研究了孔軸配合間隙對螺栓承載能力的影響，研究表明，孔軸配合間隙是緊固件強度設(shè)計的重要因素之一[4])，但對于螺栓孔垂直度對螺栓承載能力影響的研究則稍有欠缺。整體成型后結(jié)構(gòu)比較復雜，在制孔過程中又可能出現(xiàn)螺栓孔垂直度偏差[5]，因此進行螺栓孔垂直度對螺栓承載能力影響的研究就顯得尤為重要。

本文通過對不同垂直度下安裝螺栓進行拉伸試驗，并結(jié)合數(shù)值仿真，研究了垂直度偏差對螺栓承載性能的影響。

2 拉伸試驗

設(shè)計非標試驗，對0°、1.5°、2°、2.5°、3°等5種不同垂直度螺栓孔偏差角度下螺栓的承拉能力進行分析。試驗采用兩個T形零件背靠背組成，兩個螺栓孔的軸線與單耳片面的夾角度數(shù)一致，每種安裝角度試驗件共3件。試驗設(shè)計如圖1所示，拉伸試驗結(jié)果見表1，螺栓斷裂如圖2所示。

圖2 螺栓斷裂圖

表1 螺栓拉伸破壞載荷試驗結(jié)果

圖1 不同垂直度下螺栓拉伸試驗設(shè)計

試驗結(jié)果表明，隨著螺栓垂直度偏差增大，螺栓的承載能力急劇降低，這是由于螺栓孔垂直度偏差會造成螺栓在裝配預緊力作用下產(chǎn)生較大的附加彎矩，在工作應力復合作用下導致螺栓發(fā)生提前破壞。

3 數(shù)值分析

結(jié)合試驗，建立螺栓孔垂直度偏差0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°時相應的彈塑性有限元模型，對不同垂直度下安裝的螺栓進行數(shù)值仿真分析，進一步對比分析垂直度對螺栓承載能力的影響，典型模型如圖3所示。分析模型中，在螺栓頭與結(jié)構(gòu)、螺母與結(jié)構(gòu)、螺栓與孔壁、兩連接結(jié)構(gòu)之間建立接觸關(guān)系，螺母與螺栓建立粘接關(guān)系。

圖3 不同垂直度下螺栓連接模型

從圖3可以看到，由于存在垂直度偏差，會造成螺栓裝配的單邊貼合。在拉伸時產(chǎn)生的附加彎矩作用下，螺栓頭和螺母與結(jié)構(gòu)對角貼合方向存在嚴重的應力集中現(xiàn)象。螺栓螺紋收尾處為高應力區(qū)，這與拉伸試驗的螺栓斷裂位置一致，3°偏差時螺栓數(shù)值分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 3°偏差時螺栓數(shù)值分析結(jié)果

對螺栓孔垂直度偏差0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°時螺栓的承拉能力進行分析，得到螺栓相對承拉能力，如表2所示?？梢钥闯?，在螺栓孔垂直度偏差角度大于2.5°后，螺栓承載能力已降低至74%。由于螺栓預緊力通常是螺栓許用拉力的0.5～0.7倍，可以認為，螺栓孔垂直度偏差2.5°以上時，螺栓已喪失承載能力。

表2 不同偏差角度下螺栓承拉能力

根據(jù)表1給出的試驗結(jié)果，可以得到螺栓承載能力隨垂直度的變化曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，螺栓孔垂直度偏差會影響螺栓的承載能力。當垂直度偏差在1.5°以內(nèi)時，螺栓承載能力下降幅度較??；當垂直度偏差大于1.5°之后，螺栓承載能力急劇下降。

圖5 螺栓承拉能力與垂直度偏差角度關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

從理論分析和試驗結(jié)果可以看出：當垂直度偏差在1.5°以內(nèi)，螺栓承載能力下降幅度較小；當垂直度偏差大于1.5°之后，螺栓承載能力急劇下降；當垂直度偏差達到2.5°左右時，螺栓已喪失承載能力。因此，在工程實際中，應對螺栓孔垂直度進行嚴格控制，以保證實際使用安全。