整体壁板结构纵向连接接头的优化设计

　　1　引言

　　由于材料规格、加工制造与装配工艺以及损伤容限设计方法的应用等多因素的影响作用,飞机结构通常由多个部件通过连接技术形成整体结构。在机身整 体壁板结构的顶端部位,由于环向裂纹扩展的可能性远小于纵向裂纹而成为主要失效模式,因此纵向连接接头成为影响机身整体壁板结构安全疲劳寿命的关键部位。

　　铆接接头结构受铆钉传递载荷的影响作用,钉孔边存在着严重的应力集中,是疲劳裂纹萌生的策源地,控制着结构的疲劳寿命[1-2]。本文对三台阶 搭接型、简单搭接型和两台阶搭接型三种民机机身整体壁板的纵向连接形式研究,为纵向连接接头的抗疲劳设计及综合验证提供科学依据。文中应用Ansys软件 建立这三种连接形式的铆钉接头结构件的参数化全局三维壳体有限元模型,以铆钉传递载荷的差异度为约束,对接头结构件的部分几何构形参数进行敏感性分析及优 化设计,从而获得最优重量下的几何构形参数。进而应用Ansys的子模型分析法,建立接头结构件上的铆钉及其钉孔的局部细节三维壳体有限元子模型,确定钉 孔边危险点处的应力集中系数,最终定性分析这三种连接形式的接头结构件的抗疲劳性能。

　　2　三种连接接头结构件的实体模型

　　飞机机身整体结构中的纵向连接部位一般采用单搭多排铆钉连接形式。本文研究的纵向连接形式有简单搭接型、三台阶搭接型和两台阶搭接型,为能有效地对这三种连接形式的接头结构件进行优化设计,接头结构件的部分几何构形参数被设置为可变的。

　　这三种连接形式的接头结构件如图1~图3所示(各个部分均在图中标示出,模型中可变构形参数用符号表示),宽度为247 mm,上下壁板中蒙皮部分(panelskin)的厚度为1.8 mm,长度为20 mm;接头结构件上均钉有三排十列共30颗铆钉,在列方向上(垂直于纸面方向,也即是宽度方向),铆钉孔的中心距为25 mm,边孔中心到壁板边缘距离(简称边孔距)为11 mm;在排方向上(图中标示),铆钉孔的中心距为DRow,边孔距为DSide。为了满足外表面平整的要求,选用铆钉规格为NAS1097AD6的 100°沉头铆钉,钉身半径为2.5mm。

　　2.1　三台阶搭接型连接接头结构件

　　三台阶搭接型连接接头结构件的剖面构形及其尺寸参数如图1所示。上下壁板搭接段的三个台阶是相互反对称的,厚度分别是TP1、TP2和TP3, 长度分别是LP1、LP2和LP3。上壁板第4个台阶的厚度和长度分别是TTP4和LTP4。下壁板第4个台阶的厚度和长度分别为TBP4和LBP4。第 五个台阶即为上下壁板中的蒙皮部分(panel skin)。

　　2.2　简单搭接型连接接头结构件