確定不同邊\端距下擠壓孔邊緣區應力分布規律的方法與流程

2023-06-20 08:54:40

1.本發明屬於綜合強度設計領域，涉及確定不同邊\端距下擠壓孔邊緣區應力分布規律的方法。


背景技術：

2.結構連接區作為影響整個結構壽命的關鍵區域設計時往往受到極大的重視，目前對連接區疲勞壽命的計算，尤其是對螺栓連接區壽命的計算，往往將孔邊作為影響整個結構壽命的關鍵區域進行計算。在生產製造及外場超差問題處理中經常遇到螺栓連接區端距不足的問題，按照目前的算法，通過圖表查到擠壓孔不同端距對應飛孔邊應力集中係數，進而得到孔邊應力進行疲勞強度計算。該方法忽略端距不足引起的擠壓空邊界區的應力變化，且無法通過查閱圖表得到端距不足引起的擠壓孔邊界區的應力變化情況，因此對擠壓孔由於端距不足引起的應力變化規律的研究具有重要意義。


技術實現要素：

3.本發明的目的：本文通過確定不同邊\端距下擠壓孔邊緣區應力分布規律的方法，給出連接邊緣區由於邊距不足而引起的主應力變化規律，為邊距不足問題的處理提供有力的支撐。
4.本發明的技術方案：
5.一種確定不同邊\端距下擠壓孔邊緣區應力分布規律的方法，包括：
6.將兩個連接板和連接兩者螺栓的擠壓問題簡化為連接板和連接螺栓由連接板受載接觸產生的擠壓問題；連接螺栓插在連接板的孔內；
7.依據簡化後的問題建立連接板和連接螺栓的2d有限元模型，其中，連接板及螺栓二維單元屬性為2d-sloid單元，用以模擬平面應變單元；
8.以孔的邊距\端距不變，按照不同端距\邊距改變孔的位置，在上述建立的2d有限元模型，得到不同端距\邊距的有限元模型；
9.對各個有限元模型施加載荷，使用線性求解器進行求解，求得邊界區域不同端距\邊距情況下對應的最大主應力。
10.所述方法還包括：
11.以端距\邊距為自變量，最大主應力為因變量，依據求解的結果擬合端距與應力對應的變化曲線及計算公式；
12.依據擬合出的計算公式，計算名義應力比例係數得到真實邊界區最大主應力。
13.依據擬合出的計算公式，計算名義應力比例係數得到真實邊界區最大主應力，包括：
14.利用邊界區最大主應力的計算公式得到相應應力，根據相應應力與實際厚度對應的連接板名義應力相比得到比例係數，計算公式得到的相應應力與比例係數相乘即得到實際情況邊界區最大主應力。
15.載荷採用分布載荷的方式施加。
16.連接板、螺栓均按照可變形體進行接觸定義。
17.螺栓中心點約束平面內兩個方向平動自由度，連接板約束平面內與所施加載荷方向垂直自由度。
18.以孔的邊距不變時，邊距大於或等於2倍螺栓直徑，端距分別取2倍螺栓直徑、1.5倍螺栓直徑、1倍螺栓直徑。
19.以孔的端距不變時，端距大於或等於2倍螺栓直徑，邊距分別取2倍螺栓直徑、1.5倍螺栓直徑、1倍螺栓直徑。
20.採用求解器為nastran。
21.本發明的有益效果：該方法已在直升機設計中使用，並已通過靜強度試驗、疲勞強度試驗驗證，快速、有效的解決了生產製造及外場使用中端距不足問題，帶來了極大的時間與經濟效益。
附圖說明
22.圖1為簡化後的連接板及螺栓的2d有限元模型的示意圖。
23.圖2為加載示意圖。
24.圖3為邊距不變下端距與最大主應力的關係圖。
25.圖4為邊界區的示意圖。
26.圖5為端距不變下邊距與最大主應力的關係圖。
具體實施方式
27.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
28.本發明主要針對螺栓受剪情況(無旁路載荷，只有擠壓載荷)，且螺栓邊距滿足設計要求(即≥2d)，不同端距情況下(即附圖1中h值不同取值下)邊界區域最大應力分布規律，邊界區域見附圖1所示。將兩個連接板和連接兩者螺栓的擠壓問題簡化為連接板和連接螺栓由連接板受載接觸產生的擠壓問題；連接螺栓插在連接板的孔內。
29.由於擠壓孔直徑及所施加載荷均為變量，本發明主要針對邊緣區最大主應力分布規律的研究，因此選取典型的擠壓孔直徑及受載情況進行研究，給出最大應力分布規律擬合方法，設計中的真實變量情況均可按照本發明的方法得到相應的主應力分布規律。邊界區域為邊界b區，長度為螺栓直徑，寬度為2mm，見附圖4。
30.1.確定邊界b區最大主應力分布規律方法如下：
31.2.建立連接板及連接螺栓的2d有限元模型，連接板及螺栓二維單元屬性為2d-sloid單元，用以模擬平面應變單元；
32.孔邊距滿足≥2d(d為螺栓直徑，見附圖1)，端距h分別取2d、1.5d、1d，根據上述不同邊距建立不同的有限元模型；
33.3.連接板、螺栓均按照可變形體進行接觸定義(採用建模軟體為patran)；
34.4.對螺栓中心點約束平面內兩個方向平動自由度，連接板約束平面內與所施加載荷方向垂直自由度；
35.5.採用分布載荷的方式進行載荷施加；
36.6.使用線性求解器(sol101)進行求解(採用求解器為nastran)；
37.7.求得邊界區域不同端距情況下對應的最大主應力及von-mises應力，擬合端距與應力對應的變化曲線及計算公式；
38.8.計算名義應力比例係數得到真實邊界區最大主應力。
39.根據上述方法建立簡化計算模型進行分析，首先初始模型端距滿足設計要求，即：
40.h＝2d，其中d＝6mm，模型長度為100mm(為消除載荷加載區效應)，螺栓孔邊距為13mm，加載及約束條件見圖1、圖2所示。
41.單元屬性為2d-sloid單元，加載端施加分布載荷，分布載荷集度為38.46n/mm，總載荷為1000n，連接板加載端中點處約束y方向平動自由度，螺栓處約束x、y方向自由度。
42.按照上述建模及求解要求，得到不同端距下邊界b區主應力。
43.a、螺栓端距為2d(12mm)
44.對於滿足端距要求的邊界b區最大主應力為75.4mpa。
45.b、螺栓端距1.5d(9mm)
46.對於端距為1.5d的邊界b區最大主應力為118mpa。
47.c、螺栓端距1d(6mm)
48.對於端距為1d的邊界b區最大主應力為249mpa。
49.由上述分析得到不同端距連接邊界b區最大主應力及變化趨勢，見下表1所示。
50.表1
51.端距邊緣區最大主應力主應力對比(2d主應力為基準)2d75.4mpa——1.5d118mpa56％1d249mpa332％
52.由上表可知端距對邊界b區主應力影響較大，端距越小對邊界區主應力影響越大，按照相應的多項式擬合，根據擬合公式得到不同端距對邊界區主應力的影響，如圖3所示。
53.由於計算時採用的2dsolid單元默認厚度為1mm，在實際應用中對於採用直徑為6mm的螺栓時，利用邊界區最大主應力計算公式得到相應應力(該應力對應的為連接板名義應力為38.46mpa)，根據38.46mpa與實際厚度對應的連接板名義應力相比得到比例係數，計算公式得到的相應應力與比例係數相乘即得到實際情況邊界區最大主應力。
54.本發明主要針對在上述螺栓受剪情況(螺栓孔無旁路載荷，只有擠壓載荷)，端距滿足設計要求(即≥2d)，不同邊距情況下(即圖4中b值不同取值下)a區域最大應力分布規律，a區域見圖4所示。由於擠壓孔直徑及所施加載荷均為變量，本發明主要針對邊緣區最大應力分布規律的研究，因此選取典型的擠壓孔直徑及受載情況進行研究，給出最大應力分布規律擬合方法，設計中的真實變量情況均可按照本發明的方法得到相應的應力分布規律。邊界a區即為邊界區域，邊界區域寬度為2mm，長度為螺栓直徑，見附圖4所示。
55.確定邊界a區域最大應力分布規律方法如下：
56.1.建立連接板及螺栓的2d有限元模型，連接板及螺栓二維單元屬性為2d-solid單
元，用以模擬平面應變單元；
57.2.孔端距滿足≥2d(d為螺栓直徑，見附圖1)，邊距b分別取2d、1.75d、1.5d、1.25d、1d，根據上述不同邊距建立不同的有限元模型。為保證上述情況有限元模型與實際遇到問題的相同，只保證單邊變距按照上述規律變化，即上述建模過程中值保證螺栓中心點按照不同邊距向單邊移動；
58.3.連接板、螺栓均按照可變形體進行接觸定義(採用建模軟體為patran)；
59.4.對螺栓中心點及連接板角點處約束相應的平動自由度；
60.5.採用分布載荷的方式進行載荷施加；
61.6.使用線性求解器(sol101)進行求解(採用求解器為nastran)；
62.7.求得a區域不同邊距情況下對應的最大主應力及von-mises應力，擬合邊距與應力對應的變化曲線及計算公式；
63.8.計算名義應力比例係數得到真實邊緣區最大應力。
64.根據上述方法建立簡化計算模型進行分析，首先初始模型邊距滿足設計要求，即：
65.b＝2d，其中d＝6mm，模型長度為100mm(為消除載荷加載區效應)，螺栓孔距端距為20mm，加載及約束條件見圖1、圖2所示。
66.單元屬性為2d-sloid單元，加載端施加分布載荷，分布載荷集度為10n/mm，總載荷為240n，加載端2角點處約束y方向平動自由度，螺栓處約束x、y方向自由度。
67.按照上述建模及求解要求，得到不同邊距下邊緣區應力。
68.a.螺栓孔邊距為2d(12mm)
69.對於滿足端距要求的邊界a區von-mises應力為9.19mpa，最大主應力為9.87mpa。
70.b.螺栓孔邊距1.75d(10.5mm)
71.對於邊距為1.75d的邊界a區von-mises應力為16.3mpa，最大主應力為13mpa。
72.c.螺栓孔邊距1.5d(9mm)
73.對於邊距為1.5d的邊界a區von-mises應力為18.8mpa，最大主應力為17.2mpa。
74.d.螺栓孔邊距1.25d(7.5mm)
75.對於邊距為1.25d的邊界a區von-mises應力為27.9mpa，最大主應力為26.9mpa。
76.e.螺栓孔邊距1d(6mm)
77.對於邊距為1d的邊界a區von-mises應力為39.1mpa，最大主應力為38mpa。
78.根據上述分析得到不同邊距邊界a區應力，見下表2所示，最大主應力擬合公式及關係如圖5所示。
79.表2
80.邊距邊緣區mises應力(mpa)最大主應力(mpa)2d9.199.871.75d16.3131.5d18.817.21.25d27.926.91d39.138
81.以上所述，僅為本發明的具體實施例，對本發明進行詳細描述，未詳盡部分為常規技術。但本發明的保護範圍不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的
技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。