有限元模拟空心剪力钉的动态剪切断裂

文摘

剪切销结构广泛应用于航空航天结构来处理紧急结构分离问题。剪切销的设计有严格限制的精确加载和明确的失败模式。先前的研究已经进行了剪切破坏试验和模拟固体剪切销而缺乏详细研究剪切断裂与大直径空心剪力钉。在这个研究中,一个三维有限元模型建立了基于实际剪切销安装在飞机发动机吊架和模型验证的实验。的影响内径空心剪力钉的剪切破坏过程进行有限元模拟研究。结构变形、断裂过程中的能量耗散,破坏载荷的剪切销进行评估。发现随着内径的增加,剪切销的失效模式发生改变,将导致结构分离困难。为了解决这个问题,提出了一种新配置的中空的剪切销的目的是获得预期的破坏载荷和失效模式。新的配置被断裂仿真验证,发现新的配置是有效的,可以用来提高剪切断裂性能。

1。介绍

剪切销是一个机械牺牲组件像一个保险丝设计打破自己时产生的机械过载防止严重损害全球结构(1]。剪切销结构可以应用于防撞的设计实现,广泛应用于航空航天结构来处理紧急结构分离问题。在紧急降落的飞机,发动机吊架很容易击穿或撕裂油箱,导致燃油泄漏,灾难性的火灾甚至爆炸。塔紧急脱离技术通过控制断裂剪切销的序列可以有效的方法来保护乘客免受火灾和爆炸造成机翼油箱损坏(2,3]。剪切销也以一种受控制的方式用于起落架崩溃,起落架不穿透客舱,造成二次危害在面对紧急情况下(4- - - - - -6]。风力涡轮机发电机的剪切销通常是设计以这样一种方式,它应该失败当机械过载等保护高度昂贵的单位,也就是说,齿轮箱和发电机(1]。另一个例子是火箭的剪切销用于吸持和导弹发射器的保护机制,其主要功能是锁定的导弹发射鞋当发射力小于释放力,然后切断迅速缓解约束当推出力达到释放力(7]。类似的结构分离机制还发现在卫星等航天器(8]。

从安全性和设计的角度来看,剪切销的最重要的因素是再现性和负载和失败的重复模式。此外,在多次失败的情况下,失败的顺序应当保证。因此,剪切销设计有严格限制的精确断裂负载和明确的故障模式。太大破坏载荷将使剪切销无法打破的要求,导致分离失败而过小负荷将导致损失的安全因素。剪切销的失效模式应该简单明了,以确保结构可以分离不困。

先前的研究者进行实验和数值研究量化破坏载荷和剪切销结构的断裂过程。彭(9)进行剪切断裂剪切销,建立了双线性模型的测试。相关研究表明,极限变形和等效刚度的等效线性模型近似正比于剪切销的直径,和负载能力大约是正比于剪切销的直径的平方(10]。Sankar等人研究了失效机理由视觉和扫描电子显微镜(SEM)断裂表面检查和优化剪切销的颈部直径安全操作(1]。安东尼(11]研究了剪切销的接触非线性结构通过分析接触模型和有限元分析。类似的双剪结构的失效行为和断裂性能研究[12]。剪切销的机械连接结构的分析也进行了通过理论分析和数值模拟13,14]。

大部分的剪切破坏测试和模拟剪切销上面提到的主要集中在小直径的固体元件或元件。剪切销的大直径等大型组件安装在飞机发动机吊架、固体结构设计会使破坏载荷过高,难以断裂,导致结构分离过程的困难。因此,剪切销直径大,采用空心结构配置,减少破坏载荷(2]。空心剪切销的负载和失败模式是更复杂的比实销和极大地受到内部直径的影响。盾(15)进行了剪切破坏试验和数值模拟剪切销的具体配置,安装在发动机吊架。目前仍缺乏详细的研究空心剪力钉的剪切破坏。

应该考虑另一个问题是大直径内的销结构往往在断裂过程中产生大的塑性变形,这是类似于管结构的断裂过程16- - - - - -18]。大塑性变形的剪切针可能会导致结构性分离过程的困难。波音公司提出了一些结构配置空心剪力针改善剪切断裂性能,但它并没有得到充分的验证。

在这个研究中,剪切破坏过程和破坏模式的空心剪切销进行了研究。参照剪切销结构安装在飞机发动机吊架,建立三维有限元模型基于几何参数、结构配置和材料的实际剪切销发动机吊架。剪切销的断裂过程是使用有限元模型模拟,结果被实验验证。内径的剪切销的影响研究进行断裂模拟剪切销与不同的内部直径。的结构变形和应力分布在断裂过程中,破坏载荷和能量耗散进行了评估。解决问题的剪切针大直径内会产生大的塑性变形,导致分离困难,提出了一种新的inner-varying配置的中空的剪切销。新的配置提供了一个解决方案改变剪切销的失效模式不改变剪切销的外部形状。新配置的裂缝模拟检查,和几何参数对失效模式的影响,破坏载荷和能量耗散进行了研究。

2。材料和方法

2.1。几何和结构

剪切销结构研究了研究指的是剪切销安装在民用航空器发动机吊架,其功能是脱离飞机发动机,防止油箱损坏和火在飞机紧急降落2,3]。剪切销可以被认为是一个空心圆柱体两端帽。剪切销是固定的单耳和双耳。剪切销的几何参数是基于实际的剪切销发动机吊架结构(3]。外部实际剪切销的直径40毫米到56毫米不等。在这个研究中,外径是设置为50,内径范围从16到32毫米,被选为研究内直径变化的影响在剪切销的剪切破坏。剪切销的总长度是110毫米,和每个后盖10毫米的厚度。凸耳的厚度和凸耳之间的时间间隔测定参照发动机吊架的实际剪切销的配置(3,15]。剪切销的几何参数及其连接凸耳图所示1。

剪切销的裂缝模拟方法是通过引人注目的质量产生影响的单耳双剪切结构,如图1。双耳底部固定在地面提供支持力量。速度需要遵守加载速度的影响在实际工程应用和工作条件。发动机吊架的剪切销断裂的民用航空器设计的飞机紧急降落条件。因此,紧急降落速度的影响裂缝模拟使用条件。基于实际的飞机坠毁事件,适航法规,和以前的飞机结构冲击碰撞试验,冲击速度设置为10米/秒(2]。

2.2。材料和损伤模型

剪切销的材料和连接凸耳15-5PH不锈钢和钛合金Ti6-Al4-V,分别根据实际发动机吊架的剪切销结构。15-5PH和Ti6-Al4-V各向同性弹性属性表中定义的1。Johnson-Cook压力模型已被用于模型塑料属性。Johnson-Cook模型表示如下:

在哪里MPa流动应力,是真正的压力,是无量纲应变率,(MPa)屈服强度,(MPa)是硬化模量,是应变率敏感性系数,是硬化系数,是热软化系数。Johnson-Cook模型描述了动态特性的应变率硬化,应变硬化和热软化金属材料。展示在表Johnson-Cook模型参数2。标本的影响得到了模型参数的测试(19,20.]。考虑到需求的测试加载速率,影响测试主要是拉伸测试,但Johnson-Cook模型也被用于剪切模拟,取得了良好效果。

剪切销经验大变形和损伤断裂过程。为了准确模拟销断裂过程的结构,有必要建立一个合理有效的损伤模型。图2说明了特征的应力-应变行为15-5PH不锈钢发生损伤。应力-应变图显示了一个分工明确的阶段。材料变形的初始阶段是线性的弹性变形(部分的),然后,加强应变,材料进入塑性屈服阶段(a - b)。超过B点后,材料的承载力显著降低,直到骨折(c部分)。B点表示物质损失的开始,也称为损害的标准开始。除了这一点之外,应力-应变曲线是由当地变形刚度削弱地区的进步。

基于15-5PH的应力-应变行为,有限元分析塑性损伤模型被用来模拟损伤演化。屈服应力的损伤模型包括软化和退化的弹性,如图2。等效塑性应变根据试样拉伸实验设置为0.1 (15),这表明物质损失的开始。材料的失败是由于材料承载能力的完全丧失。位移损伤演化是用来定义材料的失败。过去的变形位移限制元素从模拟,导致差距的开口结构,可以认为行为类似于裂缝发展的剪切销。位移限制可以通过啮合特征长度的乘积和等效破坏应变。相当于破坏应变可以参考试样拉伸实验和材料伸长。15-5PH不锈钢伸长的变化从12%到25%根据不同的热处理方法和成形方法(15,21,22]。在这个研究中,位移的限制是根据引用和模型验证。

2.3。有限元模型

全面安全销结构的三维有限元模型被开发使用显式非线性三维有限元代码。一般有限元模拟结果的误差积累太多的假设和近似基于过于简单化的有限元模型。因此,模型的几何必须确认实际的模型,和原始结构离散化过程中必须反映行为通过适当的元素配方。六面体的固体元素被用来模拟剪切销和支持凸耳。剪切销和吊耳的网格密度是1毫米和3毫米,分别和有限元模型离散为624458个节点和987720个元素,如图3。固体元素采用reduced-integration方案在计算单元刚度来提高效率的解决方案。

考虑到联系的断裂过程中可能发生的剪切销结构,所有剪切销节点定义一个节点与凸耳,确保表面剪切销和凸耳之间的有效联系。剪切销的自力接触定义计算后的剪切销销断裂的内部联系。接触界面的摩擦系数是0.2,并通过了“硬触点”算法。最后与显式解算器模型进行了有限元分析/显式。

2.4。模型验证

有限元模型建立在本研究被剪切的剪切断口试验验证针使用相同的材料和结构配置(15,23]。的模拟剪切销的直径略有不同的测试,但内径的比值外径是保持一致的。此外,凸耳之间的间隔是剪切破坏过程的重要因素,这是测试的一样。

盾(15)进行了断裂试验的剪切销的内径16.95毫米,内径/外径比0.38,如图4(一)。销结构受到剪切载荷和切成三块。断裂表面相对平坦,垂直于销轴。李等人。23]研究了剪切强度的剪切销的内径12.4毫米,内径/外径比0.56,如图4 (b)。它可以通过剪切销的碎片产生明显的塑性变形和断裂表面倾斜。

应该提到静载荷下的断裂进行了测试,不包括加载速率的影响,载荷变形响应与冲击荷载模拟很难整理。精神材料,通常负载电阻加载速率增大而增大。验证加载速率的影响断裂过程的剪切针和Johnson-Cook模型的有效性,销结构的剪切破坏进行了不同加载率。在动态断裂模拟,确定加载速率通过改变速度的影响质量的影响。6米/秒速度的影响,8 m / s, 10 m / s,选择12 m / s,仿真结果如图5。剪切销的结构变形和失效模式基本上是一致的,这表明,加载速率没有影响剪切销的失效模式。因此,本研究的模型验证是有效的。针对不同曲线之间的接触力剪切销及其连接凸耳,如图所示6。可以看出,接触力的峰值增加随着冲击速度的增加。变化趋势和增量的数量在预期之内。

模型验证是为了验证销结构的失效模式变化趋势与不同的内部/外部直径比率,但不生成精确的相同的冲击荷载响应。剪切试验结果的比较,仿真结果表明,剪切销的最终失效模式与不同的内部/外部直径比使用有限元模型可以预测。因此,本研究中建立的模型用于进一步应用。

3所示。剪切骨折不同内直径的别针

剪切销的断裂过程有不同的内部直径模拟使用有限元模型建立在这个研究。销的外部直径50毫米,内直径16毫米,18毫米,20毫米,22毫米,24毫米,26毫米,28毫米,30毫米,32毫米被选中进行模拟。

3.1。结构变形

剪切销的结构变形和应力分布与不同的内部直径图所示7。剪切销产生一个清晰的故障模式和复杂故障模式由内部直径的变化引起的。

当内径小于或等于24毫米,失效模式是明确和断裂过程时间短,如图7(一)和7 (b)。目前剪切销开始受到冲击载荷,应力集中发生在销表面。然后,销结构累积塑性应变和应力集中的部分销结构首先达到的极限塑性应变和发起损伤伴有裂缝。裂纹扩展向下沿杆的横截面结构。与此同时,地区销结构的下部相交双凸耳也达到塑性变形的极限,向上和裂缝扩展。最后,裂缝的上、下部分销结构相交,和剪切销完全被分为三个部分。

当内径大于或等于26毫米,失效模式更加复杂和断裂过程的持续时间长。如数据所示7 (c)和7 (d)由于整体刚度的降低引起的内直径的增加,销结构以前生成的大变形破坏的开始。销结构的大变形导致裂纹扩展方向的变化。当裂纹源自的上部销结构扩展到中间剪切销的一部分,它开始扩大沿倾斜方向,然后融合,最后分开的上部下部的剪切销。此时,销结构被划分为两个部分,而下部的销还连接。其次是内部联系的上部和下部之间的剪切销,冲击载荷传递给下部,最终导致了完整的销断裂结构。

剪切销的断裂过程包含高度非线性结构损伤和有限元模拟偏差;失效模式的变化趋势被认为是存在。此外,凸耳之间的间隔和剪切销有相当大的贡献的塑料变形根据模拟剪切销。大间隔使剪切销断裂过程中更容易产生严重的变形。上述两种失效模式极大地影响剪切销的结构分离过程。明确的故障模式,快速剪切销断成三截。在这种情况下,分离过程可以顺利完成而不被卡住了。复杂的故障模式,断裂过程是长久的,涉及到的内部联系销结构,这将导致结构分离过程中的困难。

3.2。能量耗散和破坏载荷

评价的主要问题行为的剪切销是能量耗散的影响。断裂过程的剪切销,初始动能和势能转换为内能和摩擦耗散能量。内部能量包括应变能、塑性耗散能量,和损伤耗散能量。塑性耗散能量导致超过90%的内部能量而损伤耗散能量占不到1%的内部能量。之间的接触摩擦的能量是由组件和剪切销的自力接触;它占了近10%的总能量耗散。

两个能量转换曲线代表的断裂过程两种不同的失效模式如图8。的内部能量曲线明显的断裂过程失效模式相比还是流畅的复杂的故障模式。这主要是因为复杂的断裂过程失效模式包括了骨折和自力接触。

总能量消散的剪切针不同的内部直径是显示在图9。随着内径的增加,剪切销的耗散能量在断裂过程中逐渐减少。当内径增加到26毫米,剪切销的失效模式转换从明确故障模式复杂故障模式和增加剪切销的耗散能量由于大塑性变形。之后,剪切销的耗散能量继续减少随着内径的增加。

的破坏载荷剪切销用于确定骨折负荷的设计结构分离和剪切销的最重要的一个参数。合理、准确的破坏载荷的关键因素是准确的分离结构。剪切销的断裂过程是一个动态、时变和非线性的过程。在这个研究中,剪切销之间的接触力曲线及其连接凸耳提取和峰值被破坏载荷。剪切销的破坏载荷与不同的内部直径比较如图10。从图可以看出,剪切销的破坏载荷增加的内径减少尽管失效模式的变化。

4所示。剪切破坏的别针Inner-Varying配置

4.1。的几何形状和参数Inner-Varying配置

部分所示3的破坏载荷剪切销减少随着内径的增加。因此,如果所需的分离分离结构的荷载很小,内径应该提倡减少破坏载荷。然而,随着内径的进一步增加,剪切销的失效模式发生了改变,然后大变形和自力接触发生在断裂过程中,这将导致结构性分离过程中的困难。也就是说,很难剪切销的原始配置有一个明确的故障模式,同时保持低加载失败。另一种方法来实现两个明显的失败模式和低负载变化的剪切销的外径和凸耳之间的时间间隔。然而,凸耳的外部直径和间隔相关连接结构的整体强度和刚度,他们是难以改变的。因此,一个新的配置安全销在不改变外部直径提出了改善剪切断裂性能,如图11。

新配置的剪切销内径减少逐渐从中间向两端。剪切销的平均内径的新配置选择与原来的28毫米比较剪切销的内径是28毫米。之和最大内径和最小内径等于平均内径的两倍。最大和最小内径的价值将影响的内部形状剪切销,进一步改变剪切强度和断裂过程的失效模式。因此,最大的内部直径30毫米,32毫米,34毫米,和36毫米的裂缝模拟选择执行剪切销的新配置,如图12。

4.2。结构变形

剪切销的结构变形的新配置不同的最大内部直径图所示13。最大内径的剪切销30毫米,剪切销的失效模式和断裂过程的新配置与复杂的失效模式是相似的。销的裂纹源自上部结构扩展到中间部分,然后开始沿倾斜方向扩展,最终导致大变形和剪切销的内部联系。剪切销的最大32毫米,内径34毫米,和36毫米,下部的区域销结构相交双凸耳是减少,这使得它更容易损伤和断裂过程中裂纹产生。可以看出裂缝下方的剪切销时发生的裂缝上方向上扩展,然后,裂缝交叉和销结构断成三截。在这种情况下,明确故障模式。

通过分析和比较结构变形的剪切销的新配置不同的最大内直径,发现价值的最大内径变化的强度分布和影响裂纹生成低剪切销的一部分。裂缝产生的关键因素和失效模式有很大影响的断裂过程。

4.3。能量耗散和破坏载荷

总能量耗散的剪切销新配置不同的最大内直径是证明并与原来的配置,如表所示3。剪切销的最大30毫米,内径一样多的能量损耗的剪切销断裂过程的原始配置。这是因为失效模式是类似的,它包含了大变形。当的最大内径的剪切销新配置高于30毫米,总耗散能量的剪切销断裂过程有明显的减少。

的破坏载荷剪切销的新配置不同的最大内部直径也表所示3。发现的最大内径的增大剪切销导致抗剪强度的增加。

根据讨论部分3内径增加到26毫米时,破坏载荷降低到1605 kN的断裂剪切销了从明确故障模式复杂的故障模式。换句话说,如果所需的破坏载荷等于或低于1605 kN,原始配置的剪切销将不适合结构分离设计,需要明确断裂过程的失效模式。

新配置的剪切销的最大32毫米和34毫米内径1572 kN - 1600 kN,分别低于1605 kN。但这些都剪切销产生明显断裂失效模式。这意味着新配置的剪切销能够满足低破坏载荷的要求和明确的断裂过程的失效模式。

5。结论

本研究主要研究了断裂过程中使用的空心剪切销分离结构通过显式有限元模拟。剪切断裂的剪切销直径不同的内部,是模拟,并得出了以下的结论。

随着内径的增加,剪切销的断裂过程改变了从明确故障模式复杂的故障模式。断裂过程中的能量耗散的明确失效模式通常是低于复杂的破坏载荷由于大塑性变形的断裂过程。失败与内径的增大和负荷的降低几乎失效模式的影响。

解决问题时,剪切销生成复杂的故障模式内径较大和破坏载荷很小,一个新的inner-varying配置没有变化的剪切销销结构的外部形状。通过模拟剪切断裂过程的新配置和与原来的配置,它是发现新的配置是一种有效的设计,可以获得低破坏载荷和明确的故障模式。

数据可用性

数值数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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