铆钉有限元仿真：大飞机铆钉数量最小化如何保证结构强度？
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导读：任何结构工程上，由于制造工艺，成本等限制，必须要用到不同链接方式来将不同的结构件连接起来。结构件的链接方式包括但不限于：螺丝，铆钉，焊接等。从工程角度来讲，这些结构链接（Structural Joint）主要作用是为了更好的将载荷从一个零件传递到另一个上。航空业中常见的有比如：铆钉，或者fitting (见下图，笔者不是很清楚中文语境中叫什么) 准确得评估这一类“链接“ 在仿真中将会是至关重要的。因为它们通常是应力的集中点而且由于它们的存在，将会使整个结构件的重量增加，在飞机上它们占有者将近20%的总重量，因此需要使铆钉的数量最小化的同时又保证结构的强度。10月14日19时30分，我将在仿真秀平台带来《飞行器结构设计之铆钉有限元计算应用》欢迎大家前来交流。以下表格是笔者总结的铆钉/螺丝链接相对于焊接/其他连接方式的优劣势：1-功能性：永久性链接和可拆卸的。比如舱壁，机翼主结构都是属于永久性链接。可拆卸的链接主要是安装飞控和其他航电系统，在飞机服役的生命周期中经常需要进行维修和更换。
在飞机上，铆钉或者螺丝通常不用来承受拉力， 在有拉力的载荷情况下需要评估结构件的pull-out失效原则+铆钉本身的抗拉强度（永远要低于可能会引发的疲劳载荷）。那么当有结构链接需要承受拉力的时候通常会采用不同的金属结构件：
3-配置：单剪（single shear） 或 双剪 （double shear） 见下图：
从铆钉的长相可以分为：平头（左图）主要用与飞机外部用来获得更好的空气动力和蘑菇头（右图）通常用于飞机内部来提供更好的结构强度：2-最小化不同铆钉/螺丝的种类（减少安装错误，计算错误等）3-不使用直径小于4mm的在主结构上（primaries structures）6-低载荷链接使用一排铆钉为了减少重量，高载荷链接使用多排铆钉去更好的分散应力7-所有铆钉/螺丝都需要在后续检修过程中方便进入，更替-上面提到的“平头哥” 当出现这一类铆钉的时候，由于需要将铆钉完全嵌入到材料里，强度会有所下降，通常需要保证一定的材料厚度：t1=1.5*h
-铆钉之间的间隔，通常用p 来表示两颗最近的铆钉之间的距离，定义这个数值通常需要在成本，重量和强度之间找到一个平衡。在飞机上通常：- 主结构（primary structure）: 4<p<6 金属，4.5<p<6 复合材料
- 次结构（secondary structure）: 4<p<10 金属，4.5<p<10 复合材料
单剪（single shear）: 总厚度<=3D, 最大单厚度<=1.7D 复合材料总厚度<=2-2.5D,最大单厚度<=1.5D 金属材料双剪（double shear）：总厚度<=4.5D, 最大单厚度<=1.7D 复合材料总厚度<=3.2-4D,最大单厚度<=1.5D 金属材料-边缘距离，通常用e 来表示，根据经验通常控制在 e=1.5D 到e=2D之间
铆钉所链接的结构件的材料也对计算上有着一定的影响，如果是金属材料由于存在塑性，可以简化很多仿真流程。比如，当有一排铆钉的时候可以假设每一颗所分到的力是一样的。（图左）。但是如果是复合材料的情况，载荷的分布就不是均匀的了（图右）在实际应用中，可以分为分析性的计算（图左：一张纸+一支笔），或者当出现更复杂的情况下则需要用到有限元模型（图右）：本文主要介绍如何把航空铆钉给加入到我们的有限元模型中来，在开始前需要读者们需要了解一些重点：有很多不同的方式去构建一个铆钉有限元模型，每一种都有不同的标准和优劣势，本文将介绍航空中最常用的一种
飞机的蒙皮和其他的一些结构件通常会食用2D 壳单元去模拟，因此两个不同的板之间会有一定的间隙（现实中是没有的）
一定要注意每颗铆钉的局部坐标系统，因为每个刚度将会在局部坐标里定义
铆钉的仿真在有限元模型中通常用1D单元（弹簧）去模拟，那么这一类单元最重要的就是如何去准确得计算弹簧的剪力刚度，每家航空厂家会使用不同得方式。比如空客使用的是基改良后的Huth 公式。下图是Huth 原始公式：Ps: 曾经有业内的同行问过我，空客具体使用的是什么公式。我想说的是实际工程应用中应许结合测试来总结归纳出适合每家公司的体系，没有好坏之分！有限元模型的建立上通常会从CAD数模中提取每颗铆钉的位置，以它为参考投影到所需要链接的单元上再使用RBE 单元去分别链接到每个投影节点：
但是飞机上有着成千上万颗铆钉和需要链接的结构件如下图，每颗铆钉需要它自己的局部坐标系统和相应的在不同方向上的刚度。这个时候需要用到一些能将铆钉建立自动化的脚本。
但是飞机上有着成千上万颗铆钉和需要链接的结构件如下图，每颗铆钉需要它自己的局部坐标系统和相应的在不同方向上的刚度。这个时候需要用到一些能将铆钉建立自动化的脚本。
为了更好帮助大家理解大飞机铆钉有限元计算应用，笔者将在2023仿真秀飞行器设计仿真学习月第八期带来《飞行器结构设计之铆钉有限元计算应用》技术讲座分享，欢迎飞行器专业的工程师、理工科学子和科研工作者来直播间与我交流。
以下是我讲座安排：
2023飞行器设计仿真（八）:飞行器结构设计之铆钉有限元计算应用-仿真秀直播
直播与回放地址
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