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技术前沿

边距和间距对连接件疲劳寿命的影响

    连接件,两板件尺寸一样,长150mm,宽105mm,用4个直径为8mm铆钉相连,一端固定,另一端作用65MPa的均布等幅疲劳载荷。为探讨钉孔与构件边距对连接件疲劳寿命的影响,首先,对铆钉连接件进行静力分析,在此基础上进行疲劳寿命预估。连接件最大应力最小时,其疲劳寿命最长,边距对连接件最大应力和疲劳寿命的影响明显。利用损伤力学理论,进行连接件结构疲劳寿命预估,可为连接件边距标准化制定提供理论指导和参考。

    固定上下两排水平排布的铆钉位置不变,将中间一排铆钉的位置沿水平轴镜面对称的左右移动,改变其间距,对相应的铆钉连接件进行应力分析和铆钉承载分析,在此基础上进行设计优选,用损伤力学方法讨论铆孔间距对连接件疲劳寿命的影响,找出抗疲劳优化方案。随着增大,即两个钉的间距变小,连接件最大应力先减小后增大。连接件最大应力最小时的钉排布即“静力优选”方案。很显然,中间两个铆螺母的间距大于原始排布间距时,连接件应力较大;相反,当中问两个钉的间距小于正常间距时,连接件总体应力水平较低。

    中间两个钉的间距较大,较小时,中间一排钉承载较大;另一方面,中间两个钉的间距较小, 较大时,上下两排钉承载较大,中间两个钉间距越小,承载越小,没有发挥应有作用;但最右端的设计方案,即5钉方案,由于减少了一个钉,所有钉承载都比较大,且较为均匀。中间两钉的间距过大过小,乃至于5钉方案,从钉承载分布的角度,都存在较为明显的不合理性。上下两排钉承载曲线和中间一排钉承载曲线有一个相交处,也就是说,所有钉承载相同。很多情况下,此钉排布方案由于具有最大的结构利用效率,常常成为优选方案。但是这种等强度方案也意味着当连接件发生失效时,完全丧失了进一步承载的潜力,也就是说,失效是突发性的,后果严重。这也是设计选型时必须要考虑的。还需要说明的是,静力分析的结果和疲劳分析的结果,并不一定具有一致性,需要根据具体的结构形式和相应的载荷,进行具体分析。

    依据上面的讨论,从上述钉排布方案中,选取连接件最大应力较小的四种方案进行连接件疲劳寿命预估,静力优选方案的疲劳寿命最长,可达约58万次;正常孔间距的压铆螺母排布方案,其疲劳寿命约为54万次,孔间距较大的钉排布方案,其疲劳寿命远较正常间距钉排布方案为低,而孔间距较小的方案,其疲劳寿命虽也较正常排布方案为低,但仍在54万次左右。工程设计中应首选孔间距略大的多钉排布方案,也可考虑孔间距略小的方案,但应注意,孔间距较大时连接件结构的疲劳寿命将明显缩短。一般而言,连接件最大应力最小时其疲劳寿命也最长,此时上下铆钉所受剪力与中间铆钉所受剪力较小,其差值也比较小。综合静力和疲劳寿命分析,铆钉排布优选方案。

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