[發(fā)明專利]一種預(yù)測多釘連接件譜載疲勞壽命的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410213432.0
• 申請日: 2014-05-20
• 公開（公告）號: CN104019971A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田本鑒;熊峻江;陳克姣
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供一種預(yù)測多釘連接件譜載疲勞壽命的方法，屬于金屬結(jié)構(gòu)疲勞可靠性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)——機(jī)身、機(jī)翼和尾翼等都是采用大量緊固件連接起來的薄壁結(jié)構(gòu)件，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際使用中疲勞裂紋的萌生往往發(fā)生在這類多釘連接結(jié)構(gòu)件的細(xì)節(jié)處。長期以來，航空部門一直關(guān)注并致力于飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)，并制定適航標(biāo)準(zhǔn)以防止災(zāi)難性疲勞失效事故發(fā)生。為保飛機(jī)飛行安全，精確地進(jìn)行多釘連接件的譜載疲勞壽命預(yù)測至關(guān)重要。現(xiàn)今多釘連接件譜載疲勞壽命預(yù)測方法主要基于疲勞試驗(yàn)和理論計(jì)算，試驗(yàn)方法需要多個連接件元件，試樣和試驗(yàn)成本高，且不方便設(shè)計(jì)使用；而理論計(jì)算方法主要通過有限元模擬螺栓數(shù)量、半徑、摩擦系數(shù)、剛度、位置等對傳遞載荷以及應(yīng)力應(yīng)變分布的影響，需考慮的影響因素多，計(jì)算復(fù)雜，誤差大，計(jì)算精度和效率低；目前尚缺乏預(yù)測多釘連接件譜載疲勞壽命的簡便方法，為此，發(fā)明一種簡單實(shí)用的預(yù)測多釘連接件譜載疲勞壽命的方法，該方法僅僅需要簡單的單釘連接件小試樣的疲勞性能和多釘連接件的幾何尺寸參數(shù)，便可以計(jì)算譜載下多釘連接件的疲勞壽命，本發(fā)明具有重要學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

1、目的：本發(fā)明目的是提供了一種預(yù)測多釘連接件譜載疲勞壽命的方法，該方法具有所需計(jì)算參數(shù)少、計(jì)算簡便，計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，對于復(fù)雜排列形式的多釘連接件的疲勞壽命評定具有重要價(jià)值。

2、技術(shù)方案：一種預(yù)測多釘連接件譜載疲勞壽命的方法，該方法具體步驟如下：

步驟一、簡單的單釘連接件小試樣的疲勞S-N曲線

圖1為單釘連接件的加載示意圖，按照圖1的載荷加載形式和國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》(GB3075-82)，通過疲勞試驗(yàn)，測定指定應(yīng)力比R₀下簡單的單釘連接件小試樣的疲勞S-N曲線：

式中，S_max和S_min分別為疲勞試驗(yàn)循環(huán)應(yīng)力的最大值和最小值；S₀為單釘連接件的疲勞極限，由試驗(yàn)測定；N為單釘連接件的疲勞壽命；m和C為曲線方程的形狀參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析》(HB/Z112-86)擬合得到。

不同應(yīng)力比下的疲勞應(yīng)力等效計(jì)算的等壽命曲線(古德曼方程)為

式中，S_-1為單釘連接件的疲勞壽命為N、應(yīng)力比為-1時(shí)的最大循環(huán)應(yīng)力；σ_b為單釘連接件的強(qiáng)度極限，由試驗(yàn)測定。

和為任一應(yīng)力比R下的疲勞應(yīng)力，代入式(2)可得

聯(lián)立式(2)和式(3)，消去S_-1可得應(yīng)力比R下的疲勞應(yīng)力和和指定應(yīng)力比R₀下的疲勞應(yīng)力S_max和S_min的關(guān)系

將式(4)代入式(1)，得到任一應(yīng)力比R下的S-N曲線方程：

影響疲勞強(qiáng)度的因素有載荷特性(包括應(yīng)力狀態(tài)、交變頻率等)、零件幾何形狀及表面狀態(tài)(包括尺寸效應(yīng)、表面光潔度、表面防腐蝕、缺口效應(yīng)等)、材料本質(zhì)和表面熱處理及殘余內(nèi)應(yīng)力、連接件裝配狀態(tài)(包括孔的表面狀態(tài)、緊固件與連接板配合的填充狀態(tài)、裝配間隙、擠壓狀態(tài)等)。事實(shí)上，單釘連接件小試樣選取的是多釘連接件的單個結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其材料、零件、生產(chǎn)、裝配均按照多釘連接件的實(shí)際生產(chǎn)、制造和裝配工藝獲得。其試驗(yàn)測定的S-N曲線，綜合反映了上述因素的影響效應(yīng)，即疲勞強(qiáng)度包含了載荷、材料、尺寸、表面狀態(tài)、裝配、生產(chǎn)等因素對疲勞強(qiáng)度綜合影響，可以表征多釘連接件單個性能的包含多種影響效應(yīng)的疲勞強(qiáng)度性能，可為多釘連接件的譜載疲勞壽命提供性能參數(shù)。只需已知最危險(xiǎn)緊固件周邊的應(yīng)力狀態(tài)，獲得循環(huán)應(yīng)力和便可利用式(5)得到該危險(xiǎn)緊固件連接處的疲勞壽命，即得到整個多釘連接件的疲勞壽命。

步驟二、多釘連接件危險(xiǎn)緊固件連接處的旁路應(yīng)力與連接件尺寸參數(shù)之間的關(guān)系

當(dāng)緊固件搭接區(qū)域承受復(fù)雜載荷作用時(shí)，其整體上呈現(xiàn)雙向應(yīng)力狀態(tài)(如圖2所示)，在圖2中，上下板之間以多排n個緊固件連接，搭接區(qū)域同時(shí)承受雙向正應(yīng)力(σ_x和σ_y)和切應(yīng)力(τ)。將正應(yīng)力和切應(yīng)力等效為主應(yīng)力(如圖3所示)：