飞机结构干涉铆接应力特征及其疲劳特性

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1、中图分类号：V215.5论文编号：102870516-B026学科分类号：082503博士学位论文飞机结构干涉铆接应力特征及其疲劳特性研究生姓名曾超学科、专业航空宇航制造工程研究方向飞机装配与结构强度指导教师廖文和教授田威教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一七年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringInterferenceRivetingInducedResidualStressinAircra

2、ftLapJointsandItsInfluenceonFatigueAThesisinAeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologybyZengChaoAdvisedbyProf.LiaoWenHeandProf.TianWeiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyMarch,2017承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文

3、中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要铆接连接的疲劳可靠性对于保证飞机结构安全意义重大。随着我国航空工业的迅猛发展，新型号的各类飞机的不断研制必将对铆接结构质量及工艺方法提出更高的要求。经过几十年的发展，铆接技术已经从早期的手工钻铆发展到了机械化自动钻铆，大大提升了生产效率及产品质量。

4、然而由于钻铆工艺基础研究的不足在很大程度上导致了我国航空制造领域的自动钻铆机铆率非常低。为了促进该技术更广泛的应用，提升我国航空制造业整体水平，本文以自动钻铆技术应用为基础针对飞机结构干涉铆接应力特征及其疲劳特性开展研究，主要工作和创新成果如下：（1）建立了铆接力与钉头成形尺寸关系的多种数学模型，重点推导建立了铆接力与初始配合容差共影响下的钉/孔变形力学模型，深化了对铆接变形的力学认识。通过这部分研究实现了对基于压力控制的铆接工艺方法提供理论指导，对铆接力以及失配率系数引起的铆接应力特征变化进行定量评估。（2）使用显式求解分析方法建立了2D轴对称有限元铆接模型，分析了不同钉

5、头尺寸以及初始配合特征下的带孔板应力/应变，实现了贴合面上的应变试验研究并验证了有限元分析结果的有效性，结合试验结果对钉头成形尺寸的理论模型进行了修正。通过这部分研究阐释了合理的铆接成形钉头尺寸设计可以在带孔板内孔表层产生一定范围和一定水平的环向残余压应力，在一定范围内增大铆接力有利于残余压应力的增大，但设计一定的初始过盈配合则可能导致在贴合面上孔外围产生较高的残余拉应力。（3）基于3D有限元模型分析了多排铆钉搭接接头的铆接及拉伸作用下的应力特征，通过用户自定义单元编程实现了铆接残余应力与偏心弯曲效应共同作用下的裂纹尖端应力强度因子的直接计算，并对裂纹的扩展特征进行了分析。

6、通过这部分研究解释了试验观察到的裂尖形状的形成机理，发现了塑性诱导裂纹闭合现象的尺寸效应。（4）从试验分析的角度研究了不同工艺特征下铆接搭接接头的疲劳特性，包括裂纹萌生与扩展特征、断裂特征、疲劳寿命等，基于等效疲劳寿命的方法验证了Elber裂纹张开（闭合）应力模型对包含残余应力作用的铆接接头疲劳分析的有效性。通过这部分研究发现了不同的铆接力、初始配合状态以及钉/孔大小对接头疲劳特性的影响规律，发现了除贴合面上以外的裂纹萌生位置。提出了需在板内局部残余应力分析的基础上，结合结构受载后搭接区内的微动特征对不同铆接力（干涉量）导致的铆接接头疲劳寿命长短的变化进行解释。关键词：干涉

7、铆接，自动钻铆，残余应力，疲劳，有限元，虚拟裂纹闭合技术，飞机i飞机结构干涉铆接应力特征及其疲劳特性ABSTRACTThefatiguereliabilityofrivetedlapjointsisveryimportanttothestructuresafetyoftheaircraft.WiththerapiddevelopmentofaviationindustryinChina,manyaircraftsdefinedasanewgenerationarebeingdevelopedwhichrequire