一种飞机螺栓的疲劳寿命设计方法

摘要

本发明属于飞机设计技术领域，涉及一种飞机螺栓的疲劳寿命设计方法。本发明根据螺栓受力特点，从疲劳损伤容限研究领域给出了螺栓的疲劳寿命设计方法。本发明使用的理论依据正确，分析步骤清晰、简单，计算过程便于计算机自动化迭代计算。本发明的提出解决了螺栓疲劳寿命设计时应同时考虑拉伸应力及剪切应力对螺栓疲劳寿命影响的问题。本发明先根据螺栓的受载特点，计算出螺栓的拉应力及剪切应力；然后采用强度第四理论，将螺栓承受的拉应力、剪切应力折算成当量拉应力；再根据螺栓自身结构特点，计算出螺栓固有性能DFR值；最后采用细节疲劳额定值DFR方法设计螺栓。

主权项

一种飞机螺栓的疲劳寿命设计方法，其特征是，设计方法包括以下步骤：步骤一、利用有限元软件，确定螺栓在飞机载荷谱中各个波峰、波谷下的拉应力σ：其中，F是螺栓承受的轴向载荷，D是螺栓的直径；步骤二、利用有限元软件，确定螺栓在飞机载荷谱中各个波峰、波谷下的剪切应力τ：其中，Q是螺栓承受的剪切载荷，D是螺栓的直径；步骤三、利用强度第四理论，确定螺栓在飞机载荷谱中各个波峰、波谷下的当量拉应力σ_req：其中，σ为螺栓拉应力，τ为螺栓剪切应力；步骤四、确定螺栓的应力比R:其中，σ_min是步骤三中当量拉应力σ_req在飞机载荷谱中的最小值，σ_max为步骤三中当量拉应力σ_req在飞机载荷谱中的最大值；步骤五、确定螺栓的细节疲劳额定值DFR：对于车制阳螺纹，DFR＝0.7*DFR₀;对于车制阴螺纹，DFR＝0.6*DFR₀，其中，DFR₀取值依据螺栓直径D及螺栓热处理强度极限σ_b确定；步骤六、根据常规的疲劳分析方法确定螺栓目标寿命飞行次数N_m、疲劳可靠性系数FRF、飞机载荷谱中地空地损伤比λ；步骤七、确定当量地空地循环数n_D:其中，N_m是目标寿命飞行次数，FRF是疲劳可靠性系数，λ是地空地损伤比；步骤八、确定地空地循环许用应力[σ_max]：$\left[{\sigma }_{\max }\right]=\frac{0.94*{\sigma }_{m0}*X_{\mathrm{GAG}}*\mathrm{DFR}}{(1-R)*({\sigma }_{m0}-0.53*\mathrm{DFR})+0.47*X_{\mathrm{GAG}}*(1+R)*\mathrm{DFR}}$式中，其中，S及σ_m0取值依据螺栓材料确定，n_D是当量地空地循环数，DFR是螺栓的细节疲劳额定值，R是螺栓的应力比；步骤九、确定螺栓疲劳裕度M.S.:其中，[σ_max]是地空地循环许用应力，σ_max为步骤三中当量拉应力σ_req在飞机载荷谱中的最大值；步骤十、判断螺栓疲劳裕度M.S.是否大于0，若大于0，则螺栓疲劳满足设计要求，反之，根据《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》改变螺栓直径D或螺栓材料或螺栓热处理强度极限σ_b，返回步骤一，重新进行螺栓设计。