厚度比、装配间隙及载荷传递对宽体飞机挡风玻璃框架中采用7050-T7451铝合金螺栓连接的接头疲劳性能的影响

《International Journal of Fatigue》：Effect of Thickness Ratio, Assembly Clearance and Load Transfer on Fatigue Behavior of Bolted 7050-T7451 Aluminum Joints in Wide-Body Aircraft Windshield Frames

　　

摘要

宽体飞机中用螺栓连接的挡风玻璃框架接头通过紧固件承载和净截面旁路来传递载荷，但接头厚度、装配间隙以及载荷传递方式如何共同影响细节疲劳等级（DFR）尚未得到可靠确定。对7050-T7451双剪切接头（R = 0.06），T/D = 0.63–1.57，J/D = 2.4–13.4%，以及五种载荷传递配置进行了390件样本的恒力疲劳质量（CFQ）试验；同时进行了应变计验证的有限元（FE）分析和电子背散射衍射（EBSD）研究。95/95 DFR值显示一种新的趋势：以紧固件承载为主的接头随着厚度增加而损失35%的DFR（从96 MPa降至63 MPa），而以旁路为主导的接头DFR增加了37%（从75 MPa增至103 MPa），同时，关键部件从铝合金板转移到了钛制中央板。对于以紧固件承载为主的接头，DFR遵循DFR = A·Kt^-n公式，其中n在参考间隙时为1.99，在整个间隙范围内为1.89 ± 0.94（95%置信区间）；额外指数量化了贯穿厚度的约束贡献，并且可以看出几何因素和约束因素的贡献大致相等。装配间隙存在一个与厚度相关的最优值，四螺栓方案相比两螺栓方案可提高DFR 20–80%。该框架通过省略配置检查、五折交叉验证（n = 1.85 ± 0.31）和独立的Paris定律积分得到了验证，并已组织成适用于FAR 25.571认证的可靠性缩放设计工作流程。

引言

宽体飞机的机身结构由高精度螺栓接头连接，这些接头需要在长时间内承受飞行载荷和压力载荷，并保持良好的疲劳性能[1]。在每个接头处，施加的载荷被分为紧固件在孔处的承载部分和通过板材的净截面旁路部分[2][3]。承载比例、板材厚度和螺栓孔间隙共同决定了疲劳裂纹起始处的局部应力[4]。尽管这些接头被广泛使用，但这些参数对基于可靠性的疲劳允许值的综合影响尚未系统地量化，其背后的机制仍然不清楚。

厚度效应。对于带缺口和无缺口的试样，截面尺寸对疲劳和断裂的影响已被广泛研究，但在以紧固件承载和旁路结合的螺栓接头中的作用尚不清楚。线性弹性断裂力学预测，增加厚度会提高贯穿厚度的约束，促进平面应变条件[5]，并降低表观断裂韧性和裂纹扩展阻力[6][7]。然而，缺口组件的疲劳研究通常仅考虑了厚度的弹性应力集中系数，并假设约束可以忽略不计，因为高循环次数下的裂纹起始是由局部应力而非远场驱动力控制的[8][9]。这两种观点很少在同一数据上进行测试。对于以紧固件承载和旁路结合的螺栓接头，孔边应力场并不是一个纯粹的缺口场；因此，尚不清楚较厚的板材是有利还是有害，或者这两种机制中的哪种占主导地位。

间隙效应。螺栓孔间隙调节了承载载荷所经过的接触弧[10]。McCarthy及其同事展示了在复合材料接头中，间隙会在紧固件之间重新分配载荷并改变接触压力分布[11][12][13]；Chakherlou等人表明，夹紧力和配合度会影响接合表面的磨损[14][15]。这些研究一致发现，紧密配合和松散配合并没有普遍性的优劣[16][17][18]。目前尚未确定是否存在一个唯一的最佳间隙，或者金属接头的最佳间隙是否随板材厚度而变化。

载荷传递和多螺栓模式。多螺栓接头中载荷分布的分析和有限元（FE）模型（如弹簧-质量弹性方法[19][20]以及Gray和McCarthy的全局螺栓接头模型[21]）一致表明，一排中的边缘紧固件承受的载荷相对较大，约为两螺栓接头的1.7–2.1倍[22][23]。上述大部分研究都针对复合材料层压板[24][25]；对于金属接头，边缘紧固件载荷集中、基于可靠性的疲劳允许值[26][27]以及厚度效应之间的耦合关系尚未被研究。

基于可靠性的评级方法与断裂力学和结构应力。有三种方法用于确定机械紧固接头的疲劳允许值。细节疲劳等级（DFR）方法将统计可靠性纳入参考寿命下的允许应力，并支持多个机身疲劳数据库[28][29][30]；等效结构应力方法将缺口场归一化为对网格不敏感的应力[31]；断裂力学方法则根据假设的初始缺陷跟踪裂纹扩展[32][33]。每种方法解决了不同的问题——以起始主导的寿命可靠性、几何归一化以及裂纹扩展的耐损伤性——因此它们是互补的而非矛盾的（见表1）。目前缺少一个足够详细、能够解析这些效应内部结构的金属螺栓接头DFR数据集，并能与经过验证的应力集中模型关联起来。

研究空白和目标。此前没有研究涵盖整个厚度、间隙和载荷传递模式因素下的金属螺栓接头的基于可靠性的设计因子（DFR）。因此，载荷传递模式中厚度效应的反转尚未被报道， industrie 中使用的经验性Kt-DFR相关性尚未从力学角度推导出来以区分几何因素和约束因素的贡献。此外，这种评级的起始-扩展分离也与同一合金的裂纹扩展定律无关，已发布的DFR数据库很少指出是哪个接头部件导致了失效。基于上述不足，本文对7050-T7451双剪切接头进行了390件样本的CFQ试验[34]，并设定了六个目标：(i) 为T/D = 0.63–1.57，J/D = 2.4–13.4%，以及五种载荷传递配置构建一个95/95 DFR数据库；(ii) 确定并解释厚度效应的符号如何受承载与旁路比例的调控，包括关键部件的迁移；(iii) 推导并验证一个区分几何因素和约束因素贡献的Kt–DFR关系；(iv) 使用EBSD测量的Schmid因子量化晶体学（L/LT）各向异性；(v) 将结果整合到适用于FAR 25.571认证的可靠性缩放设计工作流程中；(vi) 通过省略配置来验证该框架，并基于开放文献中的裂纹扩展定律量化起始-扩展分离。

节选内容

材料、试样和载荷传递方式

疲劳敏感材料为7050-T7451铝合金板（AMS 4050），这是一种常用于飞机主体结构的高强度Al-Zn-Mg-Cu合金[34][35]。通过将两块外部7050-T7451铝板与一块Ti-6Al-4V钛板（AMS 4911）用镀镉的NAS6404U高精度六角螺栓（公称直径D = 6.35毫米）连接起来制备了双剪切试样（图1a）。选择了三种板材厚度：T = 4毫米、7毫米和10毫米，相应的T/D值分别为...

95/95 DFR数据库

厚度效应反转的原因

图2中显示的反转现象直接由两种载荷路径的竞争引起。在以紧固件承载为主的接头中，几乎所有的载荷都由紧固件接触承担，因此孔边应力由承载压力和贯穿厚度的约束决定[2][3]。厚度的增加提高了约束程度，接近平面应变条件[5][7]，如第3.3节所示，增加了有效Kt值并抑制了局部塑性，从而降低了允许的...

总结

通过390件样本的CFQ试验、FE应力分析和EBSD，研究了不同厚度、间隙和载荷传递方式下7050-T7451挡风玻璃框架接头的基于可靠性的疲劳行为。主要结果包括：

(1)

厚度效应的符号取决于载荷传递方式。以紧固件承载为主的（高传递）接头随着T/D从0.63增加到1.57（从96 MPa降至63 MPa）而损失35%的DFR

CRediT作者贡献声明

Mohammad Ashraf Hossain： 起草 – 原稿撰写、方法论制定、调查、数据分析、概念构思。Yukui Gao： 编辑与审核、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

Mohammad Ashraf Hossain|Yukui Gao上海交通大学材料科学与工程学院，中国上海市嘉定区曹安路4800号，201804