航空薄壁板铆钉连接结构疲劳断裂性能研究

摘要

铆钉搭接接头是飞机机身壁板和蒙皮结构的重要组成部分。现代飞行器为了优化其气动性能，需要在壁板外侧表面加工沉头铆钉等紧固件。对于服役时间较长的飞机而言，在紧固孔边缘通常会出现复杂形状的三维裂纹。因此，对这种紧固连接件的耐久性和损伤容限分析非常重要。本文对于沉头铆钉紧固的航空薄壁板，通过数值模拟，分别计算了采用纤维金属层合板铆接装配的加强结构的应力集中、含三维裂纹紧固孔的应力强度因子以及疲劳裂纹扩展速率等问题，并取得了以下研究成果：
　　（1）基于接触算法理论具体研究了航空铝合金薄板与GLARE纤维金属层合板通过沉头铆钉连接的组合结构的应力集中效应随不同几何型号参数的变化规律。本文的分析计算方法可以在结构设计时就获得铆接连接件之间的装配干涉量，并确定结构的危险断裂部位。
　　（2）基于断裂力学的三维有限元计算方法，对含有角裂纹缺陷的紧固孔结构进行了模拟研究。研究发现，铆钉填充时角裂纹的应力强度因子与不含铆钉时差异很大，铆钉的干涉挤压作用对紧固孔附近的短裂纹有很重要的影响，只有当裂纹长度足够长或者远端拉应力非常大时才能忽略。不同深度的沉头铆钉埋头窝也会使前沿线的应力强度因子曲线有很大的改变。本文还给出了一组以椭圆裂纹的形状因子、裂纹长度和干涉量为参数的经验公式，可供工程设计使用。
　　（3）通过对受铆钉干涉挤压影响的角裂纹建模和扩展分析，发现了紧固孔边裂纹的扩展速度反而比开孔结构更加缓慢。参考该方法，可以进一步对大量飞机的复杂装配结构做损伤容限与耐久性分析，对飞机结构的强度设计和安全评定具有重要意义。

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图、表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 GLARE加强薄壁板铆接孔应力分析

2.1 引言

2.2 接触算法介绍

2.3 纤维金属层合板加强结构介绍

2.4 数值模拟

2.5 有限元模拟过程

2.6 计算结果

2.7 结论

第三章 薄板沉头铆钉孔边角裂纹应力强度因子计算

3.1 引言

3.2 裂纹前沿的应力强度因子

3.3 有限元计算过程

3.4 使用1/4节点位移外推法计算应力强度因子的准确性

3.5 干涉配合对直通孔边角裂纹的影响

3.6 某型航空薄壁板在沉头铆钉填充时的计算结果

3.7 结论

第四章 沉头铆钉锪窝孔边角裂纹的疲劳扩展研究

4.1 引言

4.2 疲劳理论介绍

4.3 沉头铆钉孔边裂纹扩展分析及模型

4.4 计算结果

4.5 结构损伤容限分析

4.6 结论

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 进一步研究工作的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文