锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子的有限元分析

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1、第3卷第2期航空工程进展V01．3NO．22012年5月ADVANCESINAER0NAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGMay2012文章编号：1674—8190(2012)02—195一O6锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子的有．限元分析屠少威，黄其青，郭今，谢伟～一一～～～一一(西北工业大学航空学院，西安710072)摘要：对锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子进行研究对提高结构安全性具有～重要～意～义。～根～据飞一机上常一用的锪窝铆接典型结构，运用ANSYS软件对锪窝孔孔边角裂纹进行有限元分析，建立铆钉

2、与锪窝孔接触模拟铆一～一疵一一钉对锪窝孑L的填充作用。计算得到含铆钉填充以及空孔时锪窝孔边不同裂纹尺寸下裂纹前缘的应力强度因子分布。对比分析结果表明：铆钉填充能显著降低锪窝孔边角裂纹的应力强度因子，提高结构寿命。关键词：锪窝孔；应力强度因子；有限元；角裂纹中图分类号：0346．I；V215．6文献标识码：A二hk一_一量On一蚤蒯n一m一uy～O一～fd一．～一_吾“n嗥一Y一g眦～，_～～喏=一刚～㈦S一～一～一StressIntensityFactorFiniteElementAnalysisofCornerCracka

3、tRivet—filledC0untersinkHoleTuShaowei，HuangQiqing，GuoJin，XieWei(SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechniea1University，Xi’an710072，China)一剐_苫r一一{Ⅶia～m；m一一t∞一一关于锪窝孔边角裂纹应力强度因子求解的最新研0引言究进展；ChulYoungPark等口研究了载荷传递对于锪窝孔边裂纹扩展中的影响；沈海军等对含裂锪窝铆接结构是航空领域内广泛使用的一种纹锪窝孔进行了有限元模拟，得出

4、了锪窝孔构件的结构形式。锪窝孔边的扇形角裂纹在工程实践中危险部位及90。、120。锪窝孔边扇形角裂纹的应力是普遍存在的，常常给结构的安全带来重大隐患。强度因子。但上述研究只是针对不含铆钉填充的但是由于锪窝孔结构的复杂性，目前对于锪窝孔边锪窝孔进行的，并未考虑铆钉填充对锪窝孔边角裂扇形角裂纹的应力强度因子的计算研究还很有限。纹应力强度因子的影响。为此，本文对含铆钉填充ReinierdeRijck等口]通过疲劳试验探索并描述了的锪窝孔进行有限元分析，给出了锪窝孑L边扇形角锪窝孔边角裂纹的扩展过程，给出了应力强度因子裂纹前缘的应力

5、强度因子分布，并与空孔时进行对的有限元分析方法；JohnGBakuckas等_2介绍了比，研究铆钉填充的影响效应。1结构模型与研究对象收稿日期：201101—06；修回日期：201103—02通信作者：屠少威，rush2008@126．tom锪窝孔铆钉填充试验件如图1所示。航空工程进展第3卷(b)开裂模式I：锪窝孔与直孔交线处开裂图1铆钉填充锪窝孔实体图Fig．1Solidmapofcountersinkholewithrivet-filled结构的平面示意图如图2所示，长度L一180mm；宽度W一251Tim；板厚为1．6

6、In1TI；孔径为5mlTl；锪窝孔为120。锪窝，其形状如图3所示。(c)开裂模式Ⅱ：锪窝孔与底面交线处开裂材料为2524一T3铝合金，弹性模量E一70GPa；泊松比一0．3。一(d)两种开裂模式的裂纹前缘图2试件几何尺寸Fig．2Geometricsizeoftestpiece图4锪窝孔边角裂纹示意图Fig．4Schematicdiagramofcornercrackatcountersinkhole2有限元模型及计算方法2．1有限元模型及裂尖网格划分图3锪窝孔形状不意图采用ANSYS软件进行有限元分析。由于铆Fig．3

7、Schematicdiagramofthecountersink钉墩头和垫片对锪窝孔边角裂纹影响不大，为了简holeshape化模型，有限元模型只考虑含锪窝孔的矩形板件及锪窝孔边角裂纹示意图如图4所示，图4(a)填充于锪窝内的铆钉部分，如图5所示。边界条件中A、B、C三处是可能的开裂位置。铆钉填充后，为一端采用固支约束，一端施加50MPa的均布A、B、C三处应力均降低，但A处的应力仍高于C载荷。处，而B处因为在平板表面，受到的填充效应很小，应力降低程度低。所以，结构最可能从A、B位置开裂，且在该锪窝填充件的疲劳试验中，出现的

8、也是这两处的角裂纹。故选取这两种开裂模式进图5有限兀模型Fig．5Finiteelementmodel行研究，其裂纹长度标识如图4(b)、4(c)所示。建模时考虑裂尖奇异性，裂尖处采用退化的二十结点畸变等参单元进行划分，其他位置采用十结点四面体等参单元进行划分。为了保证计算精度，对锪窝孔边