本文来自《International Journal of Fatigue》期刊，发表于2014年，主要由A. Skorupa、M. Skorupa、T. Machniewicz和A. Korbel等人完成，研究机构为波兰AGH科技大学机械工程与机器人学院。文章的研究主题为“飞机机身铆接搭接接头的疲劳裂纹位置及疲劳寿命” (Fatigue Crack Location and Fatigue Life for Riveted Lap Joints in Aircraft Fuselage)。文章重点探讨了飞机机身铆接搭接接头的疲劳行为，特别是不同设计和生产变量对疲劳裂纹的产生、裂纹路径及接头疲劳寿命的影响。

学术背景与研究目的

铆接仍然是连接飞机结构元件的首选方法，尤其是在压载运输机机身中，铆接搭接接头广泛用于连接机身的纵向皮板与加强肋。铆接接头在长期的飞行荷载作用下，可能出现疲劳裂纹，进而影响飞机结构的安全性与耐久性。本文研究的核心是铆接搭接接头的疲劳裂纹产生位置和疲劳寿命，研究的目标在于通过实验方法探索不同铆接工艺、铆钉类型和铝合金板材厚度对这些接头疲劳寿命的影响，为飞机机身铆接搭接接头的设计与施工提供参考。

本文的研究目标明确，旨在通过实验数据分析，深入了解铆接搭接接头的疲劳行为，尤其是在不同铆接力、铆钉类型和板材厚度的情况下，接头裂纹的产生及扩展规律，为改善飞机铆接接头的疲劳性能提供理论依据。

研究流程与实验方法

本文的实验研究主要分为以下几个步骤：

1. 铆接接头的设计与制作
   实验采用了波兰铝合金D16CZ Alclad材料，包含三种不同厚度（1.9毫米、1.2毫米和0.8毫米）的铝合金板材，并使用了两种类型的铆钉：圆头铆钉和带补偿器的铆钉。铆钉的安装过程通过液压压铆机完成，以控制铆接力。不同铆接力值对应的铆钉驱动头直径（d/d比）介于1.3到1.6之间，这些数值范围符合航空工业的铆接标准。

2. 铆钉孔膨胀的测量
   在铆钉安装过程中，铆钉对铝板孔施加的径向压力引起孔周围的材料发生弹性和塑性变形，形成孔膨胀现象。研究通过切割铆钉并对孔进行测量，定量评估孔膨胀量（he）。在此过程中，使用了精密光学系统来提高测量精度，并基于孔膨胀的实际数据进行分析。

3. 载荷传递的测量
   在实验中，载荷被分配为绕铆钉孔的轴向载荷和由铆钉接触表面引起的摩擦力。通过在接头中设置应变计，研究了铆接接头中载荷的分布和传递情况。应变计的布置及数据分析方式对理解铆接接头的疲劳行为具有重要意义。

4. 疲劳试验
   本文采用MT-810疲劳试验机对所制备的铆接接头进行疲劳试验。所有试件均在恒幅加载下进行测试，频率为20Hz，加载比为0.1。通过光学系统观察裂纹的扩展情况，记录裂纹的形成与生长过程。

5. 疲劳破坏行为的分析
   通过对破裂表面的显微分析，发现所有试件的疲劳裂纹均发生在接头的铆钉排端部，裂纹的生成通常始于铆钉孔附近，并表现出多点破坏现象。随着铆接力的增大，裂纹的发生位置和扩展路径呈现出不同的趋势。

研究结果与分析

本文实验结果表明，铆接力、铆钉类型以及板材厚度对铆接接头的疲劳行为有显著影响。具体的研究发现如下：

1. 铆接力对疲劳寿命的影响
   增加铆接力（即提高d/d比值）能够显著提高铆接接头的疲劳寿命。研究表明，在铆接接头的疲劳破坏中，增加铆接力不仅能提高接头的载荷传递能力，还能减少由于板材薄弱引起的二次弯曲效应，进而提高接头的耐久性。

2. 铆钉类型对疲劳裂纹路径的影响
   使用带补偿器的铆钉时，接头的疲劳寿命通常高于使用圆头铆钉的接头。这是因为补偿器铆钉会导致更大的孔膨胀，改变接头的应力分布，从而改善其疲劳性能。然而，补偿器铆钉在薄板的应用中并没有获得预期的性能提升，反而由于铆接不完美导致接头疲劳性能下降。

3. 板材厚度对疲劳行为的影响
   实验结果表明，较厚的板材（如1.9毫米）相比薄板（如0.8毫米）的接头具有更长的疲劳寿命。随着板材厚度的减少，二次弯曲效应变得更为显著，这可能会导致疲劳寿命的缩短。在高铆接力和薄板材料的情况下，铆钉的安装可能引发更严重的局部变形，进一步降低疲劳性能。

4. 裂纹生成与扩展
   本文进一步分析了裂纹生成的位置及扩展路径。对于较厚的板材，裂纹通常始于铆钉孔处，并沿着接头的交界面扩展。随着铆接力的增大，裂纹的生成位置和路径发生了变化，裂纹不再仅限于铆钉孔周围，而是开始偏移到铆钉驱动头上方，表明更高的铆接力导致更均匀的应力分布。

结论与意义

本文的研究提供了铆接搭接接头疲劳行为的新见解，尤其是关于铆接力、铆钉类型和板材厚度对疲劳寿命的影响。通过一系列实验和数据分析，作者得出了以下结论：

1. 铆接力增加可以提高接头的疲劳寿命，尤其是在厚板材的铆接中，较高的铆接力能够改善载荷传递和二次弯曲效应，从而提高疲劳性能。
2. 使用带补偿器的铆钉对厚板的接头有益，但对薄板材料的接头并未显著改善疲劳寿命，反而可能由于铆接不完美引发早期破坏。
3. 铆接接头的疲劳寿命在薄板材料中会由于局部变形效应而降低，二次弯曲效应对薄板的影响尤为显著。

本文的研究为飞机机身铆接接头的设计提供了宝贵的数据支持，特别是在不同铆接力、铆钉类型和板材厚度的设计优化方面，具有重要的理论意义和应用价值。研究成果有助于提升飞机机身铆接接头的疲劳性能，进而提高飞机结构的安全性和使用寿命。

研究亮点

本文的研究亮点主要体现在以下几个方面：

1. 全面的实验研究：本文通过多种铆接力、铆钉类型和板材厚度组合的实验，系统地分析了不同变量对接头疲劳寿命的影响，填补了相关领域的一些研究空白。
2. 新颖的实验设计：通过精确的孔膨胀和载荷传递测量，本文对铆接接头的疲劳行为进行了深刻剖析，为后续的研究提供了可操作的实验方法。
3. 应用前景广阔：研究结果可为飞机铆接接头的设计与优化提供重要的参考依据，对提高飞机结构的疲劳性能具有实际应用价值。