一种飞机结构焊点疲劳寿命计算分析方法
【专利摘要】本发明属于飞机结构疲劳寿命计算分析领域，涉及一种飞机结构焊点疲劳寿命计算分析方法，其特征在于，包括如下步骤：第一，采用模拟焊核的等效刚性梁单元，计算焊核的结构应力，取绝对值最大的主应力作为损伤参量；第二，通过材料疲劳性能试验，获取焊核和母材的S-N曲线；第三，通过准静态方法对每个计算点的有效应力历程进行计算，确定其应力谱，采用损伤累积法则计算疲劳损伤，得到所有焊点损伤和寿命的分布情况。本方案的优点是：提出适合工程应用的焊点疲劳寿命计算模型与分析方法能在设计的初期对焊点的疲劳寿命通过计算来进行寿命预测，了解整个结构上焊点的分布情况，可指导实际工艺中对焊点的个数、分布方式进行合理的调整。
【专利说明】一种飞机结构焊点疲劳寿命计算分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于飞机结构疲劳寿命计算分析领域，涉及一种飞机结构焊点疲劳寿命计算分析方法。
【背景技术】
[0002]点焊作为一种高效的连接方式广泛的应用于飞机零部件的制造过程中，在很大程度减少了铆钉或螺钉连接的数量，同时也减轻了一定的结构重量。但由于焊接的特性，大量的试验也表明:与母材相比，焊接连接会大大地降低了整个结构的抗疲劳破坏的性能，这样使得通过点焊连接的结构在服役期间常常在焊接处发生失效破坏，造成事故。所以如果我们能在设计的初期对焊点的疲劳寿命通过计算来进行寿命预测，了解整个结构上焊点的分布情况，这样就可以指导实际工艺中对焊点的个数、分布方式进行合理的调整，以提高结构的疲劳性能，并能降低制造成本。然而，目前还没有一种十分有效的焊点疲劳寿命分析方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了解决以上问题，提供适合工程应用的焊点疲劳寿命计算模型与分析方法，解决飞机焊接结构疲劳寿命预测、评估问题。
[0004]本方法主要解决的技术难点:飞机焊接结构的焊核的力学模拟技术；焊核和连接板周围的结构应力布的计算；弯曲应力梯度效应的补偿；焊核的损伤参量确定。
[0005]本发明的技术方案是:一种飞机结构焊点疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0006]第一，通过有限元方法来计算结构应力时，采用模拟焊核的等效刚性梁单元，模拟焊核的刚性梁单元长度为0.5(sl+s2)，其中Si和S2分别为板I和板2的厚度，点1、2分别为梁单元在两层壳单元上的端点，点3为焊核中心线与两板连接面的交点；等效刚性梁单元传递的力和力矩被用来计算焊核和连接板周围的结构应力，建立焊接结构的细节有限元模型，通过有限元方法来计算结构应力，从计算所得的数据结果文件中分别提取点1、2、3的力Fx、Fy、Fz和弯矩Mx、My、Mz,依此来计算板I和板2内表面以及焊核在与两板交接点处的结构应力(沿焊核圆周方向每15度取一个点来计算)；点I和点2上的力和弯矩是焊核作用到板上的，而点3上的力和力矩为上层板作用于下层板的；上述结构应力计算如下:
[0007]σ vl=- σ 眶(Fxl) cos θ - σ 眶(Fyl) sin θ +σ (Fzl) + σ (Mxl) sin θ - σ 眶(Myl) cos θ
(I)
[0008]式中:
[_9] σ max (Fxi) =Fxi/ π ds! ; σ 隱(Fyl) =Fyl/ π ds! ; σ (Fzl) = λ (1.744Fzl/Sl2)，当 Fzl > O时；σ (Fzl) =0，当Fzl≤O时，只有焊核轴向力中的拉伸分量引起损伤，同时:
[0010]O -(Mxl) = λ (1.872Mxl/dSl2) ； σ max (Myl) = (1.872Myl/dSl2)；
[0011]上述应力计算公式计入了通过大量试验得到的经验因子，式中A=0.6s°_5(作为对弯曲应力梯度效应的补偿)，d为焊核直径；点2的结构应力计算与点I类似；
[0012]点3的结构应力计算用绝对最大主应力作为损伤参量，如下:
_3] τ = Tmax(Fx3)Sin2 Θ +Tmax(Fy3)COS2 Θ (2)
[0014]σ =σ (Fz3) cos θ + σ max (Nx3) sin θ - σ max (My3) cos θ (3)式中:
[0015]τ max (Fx3) =16Fx3/ (3 π d2) ; τ max (Fy3) =16Fy3/ (3 ^ d2) ； σ (Fz3) =4Fz3/ ( π d2)，当 Fz3 >O时；
[0016]σ (Fz3) =0，当 Fz3 ≤ O 时；。max (Mx3) =32MxS/ Ud3)；
[0017]omax (My3) =32MyS/( Jid3)
[0018]面内的主应力可以从焊核中的剪应力和正应力求得:
【权利要求】
1.一种飞机结构焊点疲劳寿命计算分析方法，其特征在于，包括如下步骤: 第一，通过有限元方法来计算结构应力时，采用模拟焊核的等效刚性梁单元，模拟焊核的刚性梁单元长度为0.5(sl+s2)，其中Si和S2分别为板I和板2的厚度，点1、2分别为梁单元在两层壳单元上的端点，点3为焊核中心线与两板连接面的交点；等效刚性梁单元传递的力和力矩被用来计算焊核和连接板周围的结构应力，建立焊接结构的细节有限元模型，通过有限元方法来计算结构应力，从计算所得的数据结果文件中分别提取点1、2、3的力Fx、Fy、Fz和弯矩Mx、My、Mz,依此来计算板I和板2内表面以及焊核在与两板交接点处的结构应力(沿焊核圆周方向每15度取一个点来计算)；点I和点2上的力和弯矩是焊核作用到板上的，而点3上的力和力矩为上层板作用于下层板的；上述结构应力计算如下:
σ Vi=- 0 max (Fxi) COS θ - O max (Fyl) sin θ + σ (Fzl) + σ μχ (Mxl) sin θ - σ max (Myl) cos θ (I) 式中:
。眶(Fxl) =Fxl/ π dSl ;。max (Fyl) =Fyl/ Jidsl5O (Fzl) = λ (1.744Fzl/Sl2)，当 Fzl > 0 时；σ (Fzl)=O,当Fzl ( 0时，只有焊核轴向力中的拉伸分量引起损伤，同时:
Omax(Mxl) = A (1.872Mxl/dSl2) ； σ max (Myl) = (1.872Myl/dSl2)； 上述应力计算公式计入了通过大量试验得到的经验因子，式中X=0.6s°_5(作为对弯曲应力梯度效应的补偿)，d为焊核直径；点2的结构应力计算与点I类似； 点3的结构应力计算用绝对最大主应力作为损伤参量，如下:
τ = τ max (Fx3) Sin2 Θ + Tmax(Fy3)COS2 θ (2)
σ = σ (Fz3) cos θ + σ max (Nx3) sin θ - σ max (My3) cos θ (3) 式中:
τΠΜ (Fx3) =16Fx3/(3 Jid2) ; τ max (Fy3) =16Fy3/(3 π d2) ；σ (Fz3) =4Fz3/( π d2)，当 Fz3 > O时；
σ (Fz3) =0，当 Fz3 ≤ O 时；。max (Mx3) =32Mx3/ ( ^ d3)；
Omax (My3) =32MyS/( Jid3) 面内的主应力可以从焊核中的剪应力和正应力求得:
【文档编号】G06F17/50GK103995919SQ201410154091
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】邱春图 申请人:中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所