基于ABAQUS接头对接有限元分析

陈昊龙 韩学礼 杜 娟 董凤武

（中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，汉中 723213）

在飞机设计中，接头对接是结构传递载荷的重要方式，实现不同结构载荷传递和分配。接头承受载荷容易产生应力集中，应力集中导致结构强度降低。由于对接接头通过螺栓装配时，螺栓与各接头会产生接触摩擦力，同时又受到其他因素的影响，导致接头与连接螺栓受力情况的不规则与复杂多边形，运用经典力学方法无法准确给出接头对接的受力特性。

有限元数值模拟法为接头对接分析提供了一种有效方法。准确合理的建模方法是获得结果的前提。本文利用ABAQUS软件对接头对接结构进行建立有限元模型研究，考虑了材料应力应变曲线的非线性，并对对接接头与连接螺栓建立面-面接触，给出对接接头进行有限元应力分析，研究接头对接时接头耳片的变形，为类似问题提供借鉴。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

文中分析对接接头结构包括接头1、接头2和对接螺栓。接头1、接头2材料为30CrMnSiA（自由锻），弹性模量为210000MPa；连接螺栓的材料为30CrMnSiA，弹性模量为210000MPa。接头1、接头2和对接螺栓的极限强度σb=1080MPa，屈服强度σ0.2=835MPa。

为减少计算量和节省计算机资源，忽略螺纹的受力情况，将螺母与螺栓定义为一个零部件。接头1、接头2和对接螺栓利用ABAQUS建立装配体，并对其各部件划分网格。为保证精度，在接头1、接头2耳孔附近区域和连接螺栓采用八节点六面体线性完全积分单元，接头1、接头2其它区域采用六节点四面体线性完全积分单元。有限元模型见图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.2 定义接触对

接头1、接头2和连接螺栓装配后，3个部件互相接触，在分析过程中需建立部件间的接触对。耳片外侧平面与连接螺栓螺栓头、螺帽内表面建立面—面接触，模拟螺栓夹持耳片；接头1、接头2耳孔与连接螺栓光杆建立建立面—面接触，模拟螺栓挤压耳孔。接触如图1所示。

接头1、接头2和连接螺栓接触方向为法向，硬接触，不考虑摩擦。

1.3 约束与加载

接头2底板螺栓孔处约束X，Y，Z三个方向的线位移；在接头1端面施加法向载荷，载荷大小为100000N。载荷方向如图1所示。

2 有限元应力结果

对整体模型进行弹塑性分析，得到整体结构的应力分布，其中，接头1的应力与变形云图如图2所示，接头2的应力与变形云图如图3所示，连接螺栓的应力与变形云图如图4所示。

图2 接头1的应力与变形云图

图3 接头2的应力与变形云图

图4 连接螺栓的应力与变形云图

不考虑约束与加载的影响，由图2～图4可知，接头1危险点出现在耳孔与连接螺栓接触面，其最大Mises等效应力为903.9MPa，最大变形为0.2823mm；接头2危险点出现在耳孔与连接螺栓接触面，其最大Mises等效应力为811MPa，最大变形为0.1323 mm；连接螺栓危险点出现在连接螺栓与耳孔接触面，其最大Mises等效应力为498.1MPa，最大变形为0.1605mm。

3 结论

利用有限元软件ABAQUS对接头对接进行了-数值模拟分析，充分考虑了结构的接触特性和材料的非线性等特点，其计算结果能够反映结构的传力特点。通过对结果进行分析可知：耳片厚度不同，使得接头1耳片上应力较大；接头1受拉时，连接螺栓发生弯曲，使接头2产生附加载荷，引起接头2耳片向两侧张开；连接螺栓螺母与螺帽和接头2的立筋阻止耳片向外张开，导致立筋较强的一侧变形较小，另一侧变形较大。

综上，本文通过研究接头对接时接头耳片的变形，为接头的改进和类似问题提供借鉴。