航空铆接结构失效分析及建模方法研究
发布时间：2021-12-17 11:26
运输类飞机在坠撞冲击载荷下,连接结构失效是结构失效的主要形式之一。在机身坠撞试验中,连接结构易受到不同速度、不同角度的冲击力而导致失效,研究不同加载速度和加载角度下铆接结构失效特性对适坠性研究有重要作用,连接结构的建模方法会极大影响整体模型的仿真精度。本文选取坠撞试验中机身结构连接处发生失效的铆钉,进行铆钉和铆接结构的失效试验,分析铆接结构的失效特性,研究铆接结构有限元建模分析方法。选取失效部位处沉头铆钉和扁圆头铆钉进行不同加载速度和加载角度的动态试验。失效模式主要受加载角度的影响,发生钉头拉脱失效和钉杆剪断;加载速度对沉头铆钉复合加载试验和扁圆头铆钉各角度的失效载荷影响可以忽略,沉头铆钉的纯拉伸和纯剪切的失效载荷与加载速度呈线性关系;建立两种铆钉的失效面,不同加载速度下的沉头铆钉需修正最大拉伸载荷和最大剪切载荷,扁圆头铆钉失效面没有明显的应变率效应。考虑连接母材的影响,进行了不同连接厚度和加载角度的铆接结构复合加载试验。加载角度对失效模式的影响较大,并且随着连接件厚度的减少,铆钉更易发生拉脱失效。但在钉杆剪断时,失效载荷和失效位移受连接件厚度影响较小。铆接结构的失效面随着连接厚度的增...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
试验变形情况和模拟结果
中国民航大学硕士学位论文2我国对于民用飞机适坠性的研究工作起步较晚。航空工业飞机强度研究所[8]于2012年首次进行了民机典型机身框段坠撞试验，试验中发生大量的铆钉失效行为，包括铆钉剪断、铆钉拉断、基材拉脱。冯振宇等[9]人在2019年进行了典型运输类飞机三框两段全尺寸货舱地板下部结构3.95m/s的坠撞试验，见图1-2，发现在冲击载荷作用下，所有的高锁螺栓未发生失效，在机身框与蒙皮连接处、剪切角片和长桁连接处发生了铆钉的剪断和拉断。图1-2机身框段中铆钉的失效目前在民用飞机结构动强度研究中，数值模拟占据着日益重要的地位，而数值模拟的精度在很大程度上既依赖于铆钉力学参数的准确性又取决于其建模方法，但是目前航空铆钉的失效力学性能参数还很匮乏，用于动力学计算的铆钉建模方法也不成熟，大大影响模拟结果的准确性。对于铆接形式的仿真较为流行的方法是采用刚体约束单元在铆钉连接处进行刚性连接，或者采用梁单元或者弹簧单元与约束单元相结合的方法来建立模型[5]。也有学者考虑采用精细化的3D实体单元进行建模[10]，但是需要消耗大量的计算时间，并不适用于大型结构件的坠撞试验数值分析。目前国内研究机构和研究人员对于适坠性的研究主要集中在结构件的吸能研究上，对于结构连接的失效和建模仿真分析研究较少，在对机身结构抗坠撞特性仿真分析时，主要采用的是工程简化方法，往往忽略连接结构的失效特性，并且由于缺乏试验数据的对比分析，导致仿真与试验结果的误差较大，导致在设计和适航审定阶段，仿真分析难以对试验形成有效的补充和支持。因此基于准确铆钉力学参数的铆接结构模型研究对于长桁铆钉剪断铆钉拉断剪切角片蒙皮
中国民航大学硕士学位论文4效试验，结果表明加载速率对连接结构的失效载荷影响不大，但随着加载速率的提高，铆钉破坏过程吸收的能量逐渐增大，在不同加载速率下结构的失效模式也不同。BertrandL[[26]发现在纯剪切失效模式下，铆钉动态失效载荷随着加载速率的增加而增加。国内对于民用飞机的适坠性研究才刚刚起步，探讨加载速度对连接结构失效特性影响的较少。杨沛[27]等人通过对7种不同类别的铆钉的准静态和动态试验的剪切强度进行对比分析，发现铆钉强度在动态载荷下强化效应明显，预紧力的存在增强了铆钉的剪切强度。解江[28]等人通过研究6类航空铆钉的动态加载试验，表明铆钉的动态失效载荷和加载速度呈对数关系，不同角度的加载试验铆钉发生拉脱和剪断两种不同的失效模式并构建了铆钉的失效本构关系。综上可知加载速度对连接结构失效特性的影响受连接构型、连接材料、加载方式等多种因素的影响。不同受载方式下，连接结构的失效特性区别较大。因此对于特定的材料和连接结构需要设计专门的试验进行分析。1.3连接结构建模仿真在大型结构模型中，连接结构的建模可以采用刚性连接、梁单元、实体单元、约束单元等多种建模方法[29]，见图1-3。图1-3不同的连接结构建模方法1.3.1刚性连接和可变形梁单元刚性连接即对连接位置的两个节点进行刚性约束，但只进行上下两个节点的约束会导致模拟的连接刚度较大，有不少学者进行了优化。高书娜[30]等人比较了单个刚体连接、多个刚体连接、伞状有孔刚体连接等不同的建模方法对汽车上点焊连接进行模拟，通过对车身分析模态和实验模态对比，表明单个刚体连接的模拟结果更好。后有学者将刚性
【参考文献】：
期刊论文
[1]运输类飞机典型货舱地板下部结构冲击吸能特性[J]. 冯振宇,程坤,赵一帆,李恒晖,解江,牟浩蕾,王亚锋,葛宇静. 航空学报. 2019(09)
[2]航空铆钉连接件的抗冲击性能[J]. 汪存显,高豪迈,龚煦,索涛,李玉龙,汤忠斌,薛璞,侯亮,林家坚. 航空学报. 2019(01)
[3]航空铆钉动态加载失效实验[J]. 解江,白春玉,舒挽,惠旭龙,刘小川,牟浩蕾. 爆炸与冲击. 2017(05)
[4]碳纤维-铝合金电磁铆接与准静态压铆对比[J]. 李光耀,冯雪瑞,蒋浩,齐麟,崔俊佳,张旭. 锻压技术. 2017(04)
[5]铝锂合金薄板自动钻铆残余应力特性[J]. 郑斌,余海东,林忠钦,邹成. 上海交通大学学报. 2016(04)
[6]铆钉动态剪切力学性能仿真分析及试验验证[J]. 杨沛,惠战荣. 航空科学技术. 2016(03)
[7]铆钉元件纯剪切失效特性研究[J]. 惠旭龙,牟让科,白春玉,刘小川,舒挽. 科学技术与工程. 2015(27)
[8]航空铆钉的动态力学性能测试[J]. 杨沛,郭亚洲,李玉龙. 航空学报. 2014(11)
[9]民机客舱下部吸能结构分析与试验相关性研究[J]. 刘小川,周苏枫,马君峰,孙侠生,牟让科. 航空学报. 2012(12)
[10]几种典型铝合金应变率敏感性及其塑性流动本构模型[J]. 郭伟国,田宏伟. 中国有色金属学报. 2009(01)
博士论文
[1]航空薄壁件铆接变形分析及预测研究[D]. 殷俊清.西北工业大学 2015
硕士论文
[1]单搭接件力学性能研究[D]. 黄庆概.浙江大学 2016
[2]基于耐撞性无铆钉铆接接头建模方法研究[D]. 周璐瑶.吉林大学 2014
[3]电磁铆接铆钉变形及铆模结构优化的研究[D]. 郭鸯鸯.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3540023
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
试验变形情况和模拟结果
中国民航大学硕士学位论文2我国对于民用飞机适坠性的研究工作起步较晚。航空工业飞机强度研究所[8]于2012年首次进行了民机典型机身框段坠撞试验，试验中发生大量的铆钉失效行为，包括铆钉剪断、铆钉拉断、基材拉脱。冯振宇等[9]人在2019年进行了典型运输类飞机三框两段全尺寸货舱地板下部结构3.95m/s的坠撞试验，见图1-2，发现在冲击载荷作用下，所有的高锁螺栓未发生失效，在机身框与蒙皮连接处、剪切角片和长桁连接处发生了铆钉的剪断和拉断。图1-2机身框段中铆钉的失效目前在民用飞机结构动强度研究中，数值模拟占据着日益重要的地位，而数值模拟的精度在很大程度上既依赖于铆钉力学参数的准确性又取决于其建模方法，但是目前航空铆钉的失效力学性能参数还很匮乏，用于动力学计算的铆钉建模方法也不成熟，大大影响模拟结果的准确性。对于铆接形式的仿真较为流行的方法是采用刚体约束单元在铆钉连接处进行刚性连接，或者采用梁单元或者弹簧单元与约束单元相结合的方法来建立模型[5]。也有学者考虑采用精细化的3D实体单元进行建模[10]，但是需要消耗大量的计算时间，并不适用于大型结构件的坠撞试验数值分析。目前国内研究机构和研究人员对于适坠性的研究主要集中在结构件的吸能研究上，对于结构连接的失效和建模仿真分析研究较少，在对机身结构抗坠撞特性仿真分析时，主要采用的是工程简化方法，往往忽略连接结构的失效特性，并且由于缺乏试验数据的对比分析，导致仿真与试验结果的误差较大，导致在设计和适航审定阶段，仿真分析难以对试验形成有效的补充和支持。因此基于准确铆钉力学参数的铆接结构模型研究对于长桁铆钉剪断铆钉拉断剪切角片蒙皮
中国民航大学硕士学位论文4效试验，结果表明加载速率对连接结构的失效载荷影响不大，但随着加载速率的提高，铆钉破坏过程吸收的能量逐渐增大，在不同加载速率下结构的失效模式也不同。BertrandL[[26]发现在纯剪切失效模式下，铆钉动态失效载荷随着加载速率的增加而增加。国内对于民用飞机的适坠性研究才刚刚起步，探讨加载速度对连接结构失效特性影响的较少。杨沛[27]等人通过对7种不同类别的铆钉的准静态和动态试验的剪切强度进行对比分析，发现铆钉强度在动态载荷下强化效应明显，预紧力的存在增强了铆钉的剪切强度。解江[28]等人通过研究6类航空铆钉的动态加载试验，表明铆钉的动态失效载荷和加载速度呈对数关系，不同角度的加载试验铆钉发生拉脱和剪断两种不同的失效模式并构建了铆钉的失效本构关系。综上可知加载速度对连接结构失效特性的影响受连接构型、连接材料、加载方式等多种因素的影响。不同受载方式下，连接结构的失效特性区别较大。因此对于特定的材料和连接结构需要设计专门的试验进行分析。1.3连接结构建模仿真在大型结构模型中，连接结构的建模可以采用刚性连接、梁单元、实体单元、约束单元等多种建模方法[29]，见图1-3。图1-3不同的连接结构建模方法1.3.1刚性连接和可变形梁单元刚性连接即对连接位置的两个节点进行刚性约束，但只进行上下两个节点的约束会导致模拟的连接刚度较大，有不少学者进行了优化。高书娜[30]等人比较了单个刚体连接、多个刚体连接、伞状有孔刚体连接等不同的建模方法对汽车上点焊连接进行模拟，通过对车身分析模态和实验模态对比，表明单个刚体连接的模拟结果更好。后有学者将刚性
【参考文献】：
期刊论文
[1]运输类飞机典型货舱地板下部结构冲击吸能特性[J]. 冯振宇,程坤,赵一帆,李恒晖,解江,牟浩蕾,王亚锋,葛宇静. 航空学报. 2019(09)
[2]航空铆钉连接件的抗冲击性能[J]. 汪存显,高豪迈,龚煦,索涛,李玉龙,汤忠斌,薛璞,侯亮,林家坚. 航空学报. 2019(01)
[3]航空铆钉动态加载失效实验[J]. 解江,白春玉,舒挽,惠旭龙,刘小川,牟浩蕾. 爆炸与冲击. 2017(05)
[4]碳纤维-铝合金电磁铆接与准静态压铆对比[J]. 李光耀,冯雪瑞,蒋浩,齐麟,崔俊佳,张旭. 锻压技术. 2017(04)
[5]铝锂合金薄板自动钻铆残余应力特性[J]. 郑斌,余海东,林忠钦,邹成. 上海交通大学学报. 2016(04)
[6]铆钉动态剪切力学性能仿真分析及试验验证[J]. 杨沛,惠战荣. 航空科学技术. 2016(03)
[7]铆钉元件纯剪切失效特性研究[J]. 惠旭龙,牟让科,白春玉,刘小川,舒挽. 科学技术与工程. 2015(27)
[8]航空铆钉的动态力学性能测试[J]. 杨沛,郭亚洲,李玉龙. 航空学报. 2014(11)
[9]民机客舱下部吸能结构分析与试验相关性研究[J]. 刘小川,周苏枫,马君峰,孙侠生,牟让科. 航空学报. 2012(12)
[10]几种典型铝合金应变率敏感性及其塑性流动本构模型[J]. 郭伟国,田宏伟. 中国有色金属学报. 2009(01)
博士论文
[1]航空薄壁件铆接变形分析及预测研究[D]. 殷俊清.西北工业大学 2015
硕士论文
[1]单搭接件力学性能研究[D]. 黄庆概.浙江大学 2016
[2]基于耐撞性无铆钉铆接接头建模方法研究[D]. 周璐瑶.吉林大学 2014
[3]电磁铆接铆钉变形及铆模结构优化的研究[D]. 郭鸯鸯.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3540023
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