飞机腐蚀搭接板应力研究

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1、飞机腐蚀搭接板应力研究　　摘要：为降低由于铝合金腐蚀产生的膨胀作用引起的枕垫效应对飞机搭接板应力的影响，利用非线性有限元法分别对不同铆钉弹性模量、不同搭接板弹性模量和不同搭接板泊松比下的腐蚀搭接板进行仿真分析.结果表明：枕垫效应对搭接板应力的影响随着铆钉弹性模量的增大、搭接板弹性模量和泊松比的减小而减小.关键词：飞机；枕垫效应；铝合金；接触；有限元法中图分类号：V241.35文献标志码：BStressanalysisoncorrodedlappedplateofaircraftLUHoufa（SchoolofAeronautics&AstronauticsandMechanics，Tong

2、jiUniversity，Shanghai200092，China）Abstract：Toreducetheimpactofpillowingeffectgeneratedbyaluminumalloyexpansionduetocorrosiononaircraftlappedplatestress，thecorrodedlappedplatewithdifferentelasticitymodulusanddifferentPoissonratiounderdifferent12elasticitymodulusofrivetaresimulatedandanalyzedbynonli

3、nearfiniteelementmethod.TheresultsshowthattheimpactofpillowingeffectonthelappedplatestressreduceswhentherivetelasticitymodulusincreasesandtheelasticitymodulusandPoissonratioofthelappedplatedecreases.Keywords：aircraft；pillowingeffect；aluminumalloy；contact；finiteelementmethod收稿日期：2012-05-08修回日期：2012

4、-06-06作者简介：鲁厚发（1987—），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为飞机结构腐蚀预防与腐蚀控制，（E-mail）yangwd2012@163.com0引言12腐蚀是飞机结构的主要失效形式之一，可能引发飞机灾难性事故[1]，而且腐蚀一旦发生就难以彻底清除[2]，其中，现役老龄飞机铝合金结构中紧固件连接部位普遍存在较严重的腐蚀[3].1988年4月，阿洛哈航空公司一架老龄波音737-200飞机发生事故，其机身43段上部结构被掀掉.本次事故发生的主要原因是，在长期服役的热带海洋环境和循环增压载荷作用下，机身增压舱纵向蒙皮搭接接头处一排铆钉孔产生不可检测的多条腐蚀疲劳裂纹.[4]飞机

5、铝合金搭接板缝隙内腐蚀现象严重，主要为缝隙腐蚀[5]，由于铝合金的腐蚀产物Al（OH）3体积约为金属Al体积的6.5倍[6]，因此在搭接蒙皮中会产生从内侧向外侧的附加压应力，使蒙皮鼓起，这就是所谓的枕垫效应，这个附加压应力被称为枕垫应力.枕垫应力大大增加搭接板的最大应力[7]，使搭接板表面裂纹形成时间明显早于无腐蚀时的状况[8].飞机结构裂纹难以检测，会对飞机安全性构成巨大威胁，故减小枕垫应力对搭接板应力的影响有重大意义.本文分析在不同铆钉材料、不同搭接板材料和不同搭接板材料泊松比等3种情况下，枕垫应力对搭接板最大主应力的影响，为减小枕垫应力对搭接板的影响提供参考.1腐蚀搭接板的建模1.1

6、模型几何尺寸的确定在实际的飞机防腐蚀设计中，防腐涂层的选用是一项重要的措施.[9]由于条件所限，本文采用弹塑性有限元分析，仅考虑材料本身属性的影响.搭接分单搭接接头和双搭接接头2种，本文采用单搭接接头，铆钉的排距（x方向）和间距（y方向）的定义见图1，其值均为20mm.依据GB869—1976，120°搭接板沉头铆钉尺寸见图1.假设材料是弹性的，不考虑材料的塑性.搭接板上、下板厚度均为2mm，每块板长140mm，宽40mm，搭接面长6012mm，腐蚀区域为图中阴影部分.图1搭接板和铆钉形状及其尺寸，mmFig.1Shapeandsizeoflappedplateandrivet，mm1.2

7、有限元网格划分和接触问题分析根据对称性，取搭接板的1/2作为研究对象，用ANSYS中的symmetry功能对相应的面作对称约束，减小计算量.在划分有限元网格时，在铆钉孔附近划分密度足够的有限元网格，保证在模拟铆钉与铆钉孔相互作用时的计算精度.有限元模型见图2.图2有限元模型Fig.2Finiteelementmodel在有限元分析中，接触单元通常用来描述2个物体相互接触或滑动的界面，文献[10]介绍相关的理论.接触单元可