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(jì)中，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的連接是非常重要的設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用[1]。因此，螺栓失效是飛機(jī)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(huì)影響螺栓的實(shí)際承載能力[3]。

目前，針對(duì)螺栓孔軸配合間隙和螺栓緊固力對(duì)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(duì)螺栓承載能力的影響，研究表明，孔軸配合間隙是緊固件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要因素之一[4])，但對(duì)于螺栓孔垂直度對(duì)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(fù)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(jìn)行螺栓孔垂直度對(duì)螺栓承載能力影響的研究就顯得尤為重要。

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

2 拉伸試驗(yàn)

設(shè)計(jì)非標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)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(jìn)行分析。試驗(yàn)采用兩個(gè)T形零件背靠背組成，兩個(gè)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(yàn)件共3件。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，拉伸試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

圖1 不同垂直度下螺栓拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(huì)造成螺栓在裝配預(yù)緊力作用下產(chǎn)生較大的附加彎矩，在工作應(yīng)力復(fù)合作用下導(dǎo)致螺栓發(fā)生提前破壞。

3 數(shù)值分析

結(jié)合試驗(yàn)，建立螺栓孔垂直度偏差0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°時(shí)相應(yīng)的彈塑性有限元模型，對(duì)不同垂直度下安裝的螺栓進(jìn)行數(shù)值仿真分析，進(jìn)一步對(duì)比分析垂直度對(duì)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(huì)造成螺栓裝配的單邊貼合。在拉伸時(shí)產(chǎn)生的附加彎矩作用下，螺栓頭和螺母與結(jié)構(gòu)對(duì)角貼合方向存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。螺栓螺紋收尾處為高應(yīng)力區(qū)，這與拉伸試驗(yàn)的螺栓斷裂位置一致，3°偏差時(shí)螺栓數(shù)值分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 3°偏差時(shí)螺栓數(shù)值分析結(jié)果

對(duì)螺栓孔垂直度偏差0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°時(shí)螺栓的承拉能力進(jìn)行分析，得到螺栓相對(duì)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(yù)緊力通常是螺栓許用拉力的0.5～0.7倍，可以認(rèn)為，螺栓孔垂直度偏差2.5°以上時(shí)，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(yàn)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(huì)影響螺栓的承載能力。當(dāng)垂直度偏差在1.5°以內(nèi)時(shí)，螺栓承載能力下降幅度較小；當(dāng)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(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)垂直度偏差在1.5°以內(nèi)，螺栓承載能力下降幅度較??；當(dāng)垂直度偏差大于1.5°之后，螺栓承載能力急劇下降；當(dāng)垂直度偏差達(dá)到2.5°左右時(shí)，螺栓已喪失承載能力。因此，在工程實(shí)際中，應(yīng)對(duì)螺栓孔垂直度進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證實(shí)際使用安全。