《Riveted Lap Joints in Aircraft Fuselage: Design, Analysis and Properties》
《Riveted Lap Joints in Aircraft Fuselage: Design, Analysis and Properties》飞机机身铆接搭接接头：设计、分析和性能
作者：
Andrzej Skorupa
Małgorzata Skorupa
Faculty of Mechanical Engineering
and Robotics
AGH University of Science and Technology
出版社：Springer
出版时间：2012年
目录
Nomenclature .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Units and Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Riveted Lap Joints in a Pressurized Aircraft Fuselage .. . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Constructional Solutions of the Fuselage Skin Structure .. . . . . . . . . . 1
1.2 Loading Conditions for a Longitudinal Lap Splice Joint . . . . . . . . . . . 3
1.3 Bonded and Riveted-Bonded Lap Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Fatigue Damage of Longitudinal Lap Splice Joints . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Differences Between the Fatigue Behaviour
of Longitudinal Lap Joints in a Pressurized
Fuselage and Laboratory Lap Joint Specimens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Stress Distribution and Specimen Geometry.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Effect of the Load Frequency and Environmental Conditions . . . . . 22
2.3 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Production Variables Influencing the Fatigue Behaviour
of Riveted Lap Joints .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Sheet Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Fastener Type and Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Manufacturing Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1 Riveting Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 Imperfections of Rivet Holes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.3 Cold Working of Rivet Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.4 Surface Treatment of the Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.5 Squeeze Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 Design Parameters Influencing the Fatigue Behaviour
of Riveted Lap Joints .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1 Number of Rivet Rows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
ix
x Contents
4.2 Rivet Row Spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 Rivet Pitch in Row . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4 Distance of the Rivet from the Sheet Edge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5 Rivet Pattern .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.6 Sheet Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.7 Size Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.8 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5 Load Transfer in Lap Joints with Mechanical Fasteners . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1 Simple Computation of Axial Forces in the Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2 Fastener Flexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.1 Analytical Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.2 Experimental Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3 Measurement Results on Load Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4 Frictional Forces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.5 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6 Secondary Bending for Mechanically Fastened Joints
with Eccentricities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.1 The Phenomenon of Secondary Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.2 Analytical Investigations .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.2.1 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.2.2 Exemplary Applications to Lap Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.3 Finite Element Modelling .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.4 Measurements of Secondary Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.4.1 Methodology .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.4.2 Comparisons Between Measured
and Computed Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.4.3 Parametric Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.4.4 In Situ Measurement Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.5 Fatigue Behaviour of Joints Exhibiting Secondary Bending .. . . . . . 175
6.5.1 Effect of Secondary Bending on Fatigue Life . . . . . . . . . . . . . 175
6.5.2 Effect of Faying Surface Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.6 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7 Crack Initiation Location and Crack Shape Development
in Riveted Lap Joints – Experimental Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.1 Crack Initiation Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.1.1 Static Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.1.2 Fatigue Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.2 The Role of Fretting .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2.1 The Phenomenon of Fretting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.2.2 Cracking in the Presence of Fretting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.3 Fatigue Crack Shape Development .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.4 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Contents xi
8 Multiple-Site Damage in Riveted Lap Joints –
Experimental Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.1 Examples of Aircraft Catastrophic Failure Due to MSD . . . . . . . . . . . 207
8.2 Experimental Investigations of MSD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.2.1 Multiple-Site Damage Versus Single-Site Damage . . . . . . . 212
8.2.2 Influence of the Riveting Force on MSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8.2.3 MSD Under Biaxial Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.2.4 MSD Tests on Fuselage Panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.2.5 Effect of Fuselage Design on MSD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.2.6 Effect of Bending, Overloads and Underloads on MSD . . 235
8.2.7 Fatigue Behaviour of Lap Joints Repaired by Riveting .. . 236
8.2.8 Approach to MSD in Aging and New Aircraft .. . . . . . . . . . . 237
8.3 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9 Predictions of Fatigue Crack Growth and Fatigue Life for
Riveted Lap Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.2 Crack Growth Prediction Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.3 Stress Intensity Factor Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.4 Equivalent Initial Flaw Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.5 Predictions of MSD Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
9.6 Fatigue Life Predictions.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9.7 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10 Residual Strength Predictions for Riveted Lap Joints
in Fuselage Structures.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.1 Introduction.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
10.2 Crack Link-Up and Failure Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.2.1 Plastic Zone Link-Up (PZL) Criterion.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
10.2.2 Elastic-Plastic Fracture Mechanics Failure Criteria. . . . . . . 280
10.3 Crack Growth Directional Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
10.4 Computational Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.5 Comparisons Between Predicted and Measured
Residual Strength of Fuselage Lap Joints
for Self-Similar Crack Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.5.1 Flat Panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.5.2 Curved Panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
10.6 Comparisons Between Observed and Predicted Effect
of Tear Straps on Crack Path. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
10.7 Structural Risk Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.8 Summary of This Chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
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