陶思危 邹建胜
摘 要：为研究民机衬套修理技术对金属结构疲劳品质的影响，基于疲劳分析理论定性得出主要影响参数，采用ABAQUES建立典型连接结构三维有限元模型并计算衬套修理前后及不同影响参数条件下连接结构衬套孔边的最大径向压应力变化趋势，开展试片级疲劳试验分析，得出定量疲劳影响结论。研究表明，在一定参数条件下衬套修理不会降低金属结构疲劳品质，衬套孔径与衬套干涉量对金属结构疲劳品质的影响不同。研究工作可为民机衬套修理技术的实际应用提供指导。
关键词：衬套修理技术 疲劳品质 数值模拟
中图分类号：V215.5;V267 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0004-03
针对民机制造中紧固件孔径超差、奇异孔、装配孔错位等典型偏离，衬套修理成为其主要处置方法，而如何定量评估衬套修理技术对结构疲劳品质的影响尤为关键。目前，衬套修理技术在国外民机行业已成熟运用，但相关技术资料极少[1]，国内也仅开展少量技术研究[2-3]，主要在于衬套与孔的干涉配合工艺、飞机机械连接疲劳强化技术机理及数值模拟方法等方面。
本文结合工程理论分析，采取数值模拟和试验分析方法，开展不同修理参数下衬套修理技术对结构疲劳品质的定量影响研究。
1 工程理论分析
根据传统疲劳分析理论，疲劳部位产生于紧固件孔边，其疲劳品质受旁路载荷Fa与钉传载荷P引起的应力集中、零件表面质量、紧固件孔装配情况共同影响。衬套修理前后结构的疲劳危险部位位于相同的最小截面位置，由紧固件孔边A点转移至衬套孔边B点，如图1所示。
衬套修理技术对结构疲劳品质的影响主要包括两方面：一是衬套孔边的应力集中，主要由衬套孔径及边距共同影响;二是衬套孔装配情况，即其初始应力状态，主要由衬套干涉量及紧固件的配合关系共同影响。对上述参数作定性分析可知，衬套修理有利于和不利于结构疲劳品质的方面包括[4]：
1）衬套孔径增大可降低衬套孔边的挤压应力和紧固件局部弯曲引起的孔边附加应力，即降低钉传载荷引起的应力集中;
2）衬套安装普遍采用冷冻安装方式，可避免衬套孔壁损伤，提高孔表面质量。
3）衬套孔径增大会减小衬套孔边距，将提高旁路载荷引起的应力集中;
4）衬套孔径增大，若衬套初始干涉量较小，紧固件安装后，将使衬套孔干涉量较紧固件孔干涉量减小，从而降低紧固件孔的初始配合效果。
2 数值模拟分析
2.1 建模与参数设置
基于工程理论分析，在保证衬套孔边距满足要求的前提下，衬套孔径与干涉量是影响结构疲劳品质的主要参数。采用ABAQUS建立典型连接结构三维有限元模型，分析紧固件孔和衬套孔的最大径向压应力。考虑衬套修理模型对称性，为降低计算成本，选取四分之一模型进行分析。建模采用线性减缩积分3D应力单元（C3D8R单元），衬套、紧固件和连接板之间接触方式采用小滑移。
模型中连接板材料为2524-T3，厚度为1.6mm，衬套材料为7075-T6，厚度为1.6mm，紧固件为钛高锁HST10AG6。为研究衬套孔径与衬套干涉量对结构疲劳品质的影响，设置组合参数，衬套孔径6.5mm-10mm，干涉量2‰-10‰。
2.2 数值模拟结果分析
衬套修理前的数值模拟结果如图2所示，衬套修理后的数值模拟结果如图3所示，不同衬套孔径与衬套干涉量组合参数下的数值模拟结果如图4所示。
由图2可知，紧固件孔边最大压应力为304.5MPa，表示了衬套修理前紧固件与连接板的配合松紧状态，若需保持衬套修理前后的疲劳品质，衬套修理后衬套孔边的压应力水平需至少达到304.5MPa。
由图3可知，修理后在衬套孔径6.5mm、衬套干涉量6‰时，衬套孔边的压应力为311.3MPa，达到衬套修理前紧固件与连接板的压应力水平，即达到衬套修理前的配合状态，故衬套修理后疲劳品质理论上不会降低。
由图4可知，不同衬套孔径和衬套干涉量组合产生的衬套孔边径向压应力不同。出于保守考慮，理论上所有组合都需满足衬套修理前的径向压应力要求，实际情况需结合试验结果综合考虑衬套修正系数。
3 试验分析
3.1 试验方法
数值模拟考虑较为保守，仅分析衬套孔充填效果的影响，忽略了衬套修理所带来的有利因素，且工艺影响也无法纳入，故进行衬套修理疲劳试验。试验采用双剪单排紧固件模型，以获取衬套修理前后结构疲劳品质的差异。试验如图5所示。
3.2 试验参数设置
试验中结构基体材料为2524-T3，厚度为1.6mm，衬套材料为7075-T6，厚度为1.6mm，紧固件为钛高锁HST10AG6，直径为4.76mm，采用双剪单排结构形式。试验主要考虑衬套孔径和衬套干涉量两个独立参数，具体参数如表1所示。
3.3 试验结果分析
试验数据采用标准S-N曲线法处理，根据试验数据求得特征寿命，然后根据试件系数、置信度系数和可靠度系数，求得双95%的试验寿命N95/95，再根据标准S-N曲线方程计算出结构的疲劳品质。通过试验数据分析，衬套修理前后，结构细节疲劳额定值（DFR）变化趋势如图6和7所示。
由图6可知，在一定的衬套干涉量情况下，随衬套孔径增大，结构疲劳品质出现明显降低，分析其主要原因在于衬套与结构基体间的干涉量不足。由图7可知，在一定的衬套孔径情况下，随衬套干涉量增大，结构疲劳品质明显提高，当干涉量增大到一定程度时，结构疲劳品质不再提高，分析其原因主要有两方面：一是铝衬套在液氮冷却下大约能收缩4‰左右，干涉量较大时需要敲击安装，可能会降低孔质量;二是干涉量和结构疲劳品质非正比关系，在高载情况下，大干涉量会导致疲劳降低。此外，由图6和图7可知，工程基准值计算偏保守，试验基准值要较其高20%左右。
4 总结
以上研究得出结论如下：1）在一定参数条件下，衬套修理不会降低结构疲劳品质;2）不同衬套孔径和衬套干涉量组合产生的衬套孔边径向压应力不同，即孔配合状态不同;3）在一定的衬套干涉量下，衬套孔径增大，结构疲劳品质出现明显降低，在一定的衬套孔径下，衬套干涉量增大，结构疲劳品质明显提高，但当干涉量增大到一定程度时，结构疲劳品质不再提高;4）工程基准值计算偏保守，试验基准值较其高20%左右。研究工作可为民机衬套修理技术的应用与研究提供参考。
参考文献
[1] CHAMPOUX R L， LANDY M A. Fatigue Life Enhancement and High Interference Bushing Installation Using the Force Mate Bushing Installation Technique： ASTM STP 927[M].1986，39-52.
[2] 陈昌荣，黄维扬.用冷挤压法实现衬套与孔的干涉配合[J].制造工艺技术，1997（1）：43-44.
[3] 曹增强，张岐良.飞机结构干涉配合强化理论及应用[M].北京：国防工业出版社，2016.
[4] 邹建胜，朱杰.民机衬套修理技术对金属结构疲劳性能的影响研究[J].民用飞机设计与研究，2018（1）：67-70.
