含裂纹铆接结构连接件的数值分析

摘要

铆接连接是目前工程结构中广泛应用的一种主要机械连接形式之一。由于在铆钉处存在应力集中，随着工程结构的老龄化，在铆钉附近将出现疲劳裂纹，这些裂纹在扩展到一定程度后会致使结构发生突然破坏，从而有可能导致灾难性的后果。本文针对这类含裂纹铆接结构建立了基于板单元的有限元模型，计算其在面内拉伸载荷作用下的应力强度因子并通过参数分析来考察影响其损伤容限设计的主要因素。 一般地，铆接连接件在几何上是反对称或不对称的，因此在面内拉伸载荷作用下会由于载荷偏心或结构不连续而产生弯曲变形。为了简化分析，在工程上一般忽略了弯曲变形，将其简化为一个平面问题进行分析和结构设计。本文采用四结点板单元，结合铆钉单元、接触单元，建立了针对铆接搭接及铆接对接两种典型结构的有限元模型，并考虑了搭接或对接区内的接触问题，通过参数分析研究了铆接搭接和对接结构在拉伸载荷下的弯曲效应及其对面内位移的影响，利用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算裂纹尖端总能量释放率和应力强度因子，进而分析对含裂纹铆接结构的损伤容限，根据对无损铆接连接结构的参数分析及含裂纹铆接连接结构采用板模型与平面模型所得结果的对比，得出了以下主要结论： 1．对于两种典型铆接连接结构调整总长度及板厚或改变边界条件对最大形变有一定程度的影响，但是对应力强度因子的影响很小，可以忽略其影响。 2．对于含裂纹铆接对接连接结构采用平面模型和板模型所得的应力强度因子的随裂纹增长变化趋势是一致的，但最大应力强度因子差异较大，采用板模型所得最大应力强度因子要大于平面模型所得结果，而正是最大应力强度因子决定了裂纹是否扩展，从中可以看出采用平面模型来分析这种弯曲效应比较显著的结构是偏于危险的。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2选题意义

1.3本文主要工作

2有限元模型

2.1铆接对接和搭接结构

2.2板单元

2.3位移变换

2.4铆钉单元

2.5接触单元

2.6接触非线性迭代

2.7本章小结

3无损铆接连接结构的模型及数值分析

3.1无损铆接连接的典型结构

3.2约束及坐标系说明

3.3数值算例与讨论

3.3.1铆接对接结构分析

3.3.2铆接对接结构参数分析

3.3.3铆接搭接结构分析

3.3.3铆接搭接结构参数分析

3.4本章小结

4含裂纹铆接连接结构的模型及数值分析

4.1两种含裂纹铆接连接结构

4.2约束及坐标系说明

4.3裂纹及铆钉元的处理

4.4虚裂纹扩展法

4.4.1应变能释放率

4.4.2应力强度因子

4.5含裂纹铆接对接结构分析

4.5.1含裂纹铆接对接结构参数分析

4.6含裂纹铆接搭接结构分析

4.6.1含裂纹铆接搭接结构参数分析

4.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢