飞机复材紧固件连接载荷分配分析方法研究

杨晓东，李 凯

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

基金项目：民用飞机专项科研项目(MJ-2017-F-20)

作者简介：杨晓东(1986—)，男，高级工程师，博士，主要研究方向为飞机结构强度设计，yangxiaodong@comac.cc.

摘要：飞机复材紧固件连接载荷分配分析是结构连接强度校核的基础。提出了复材紧固件连接协调/平衡理论计算方法和梁元、弹簧元及紧固件单元等有限元计算方法，并以双剪连接结构为例对钉载计算结果和试验结果进行了对比分析。结果显示，协调/平衡理论计算方法以及板/梁有限元方法计算得到的钉载结果与试验结果相比误差在6%以内，采用建模较方便的CFAST紧固件单元计算的钉载结果误差在10%以内，表明这些分析方法可广泛应用于复材连接分析。

关键词：复合材料；紧固件连接；有限元

中图分类号：V222   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0076-05

在飞机结构设计中，相对于分段式的金属结构而言，复合材料(简称复材)虽然能够提高结构的整体性，但是由于设计、工艺、成本和使用维护等方面的需要或限制，还必须安排一定的设计和工艺分离面、维护口盖等，即连接结构，这些连接结构必须保证载荷传递的连续性，因此连接设计和分析在复材结构设计中是必不可少的关键环节^［1］。

紧固件连接通常采用螺栓或铆钉将两个或多个构件连接在一起，具有便于检查、可重复装拆、受环境影响小等优点，一般用于设备主承力结构的连接。复材紧固件连接载荷分配分析是在多紧固件连接中确定紧固件之间的内部载荷分配的过程，是后续紧固件连接强度校核的基础，因此是复材紧固件连接强度分析中的重要步骤和内容。

目前，确定复材紧固件连接载荷分配的计算方法与金属材料相似，主要有两种，分别是协调/平衡理论计算方法^［2-5］和细节有限元建模计算方法^［6-10］。前者公式推导复杂，且一般适用于钉排列比较规则的紧固件连接，后者适用于复杂形状的紧固件连接。本文分别采用上述两种方法计算复材紧固件连接载荷分配，并与典型试验结果进行对比。

1 理论计算

协调/平衡理论计算方法^［2］主要适用于多排单列单轴载荷下紧固件载荷分配计算。当有多列紧固件时，可以把每排紧固件简化成为一个等效紧固件。这里假定同一排的紧固件在受到载荷作用时的位移如同并联的弹簧。

协调/平衡载荷分布方法以一维模型为基础，该模型采用弹簧元来模拟板和紧固件。在该方法中，弹簧元的属性用柔度C来描述比用刚度K描述更便捷。板的弹簧元柔度系数基于无开口板进行计算，为L/(EA)，其中L为板长，E为板的弹性模量，A为板横截面积。

要求解出一个有n排紧固件的多排连接中的载荷分布，需要n个方程，其中一个来源于平衡方程，而其他的方程来源于相邻紧固件排（有(n-1)对相邻排）之间板的变形协调。将这些平衡和协调方程联立可求解出每排紧固件上的载荷。