Finite Element Simulation and Tests of Non-plate Nut Lap Joints for Load-bearing

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.026

Abstract

Abstract:

A damage initiation and evolution criterion was adopted based on the equivalent plastic strain and stress triaxiality， taking the TC4 titanium alloy bolts commonly used in aviation for example， the finite element model was established for a typical lap joint of non-plate nut. The stress details， plastic deformation and failure mode of the lap joints were analyzed， and the tensile-shear static tests and tensile fatigue life tests of the lap joints were carried out. The testing results show that the finite element simulation model is in good agreement with the test load curve， and the deviation of the failure load from the testing result is less than 5%. There is a gap between the inner wall of the nut and the outer circle of the bolts， and the lap joint contacts with the inner wall of the nut after deformation to form a support reaction forces during the processes of static tensile-shear loads. And there is an angle of about 83° between the final section and the axis of the bolts. Compared with the self-locking nut of the same specification， the tensile-shear failure load of the lap joints is reduced by 5%~7%， but the fatigue life is increased by 19%~182%. Different from the static tensile-shear test， the failure form of the fatigue life tests is the fracture of the connecting interlayer.

Key words: non-plate nut, lap joint, static tensile-shear, fatigue

摘要：

采用基于等效塑性应变与应力三轴度的损伤起始与演化准则，以航空常用TC4钛合金螺栓为例，建立了无耳托板螺母典型搭接接头有限元模型，对搭接接头承载的受力细节、螺母塑性变形以及破坏形式等进行分析，同时开展了搭接接头的拉剪静力试验与拉-拉疲劳寿命试验。试验结果表明：有限元仿真模型与试验载荷曲线的吻合性较好，破坏载荷误差不超过5%；螺母内壁与螺栓外圆存在间隙，搭接接头在承受静力拉剪载荷的过程中，螺栓变形后与螺母内壁接触形成支反力，最终断面与螺栓轴线存在约83°的夹角；与同规格自锁螺母相比，无耳托板螺母搭接接头的静力拉剪破坏载荷降低了5%~7%，但疲劳寿命延长了19%~182%；不同于静力拉剪试验，疲劳寿命试验的破坏形式均为连接夹层断裂。

关键词: 无耳托板螺母, 搭接接头, 静力拉剪, 疲劳

CLC Number:

V229

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Figures/Tables 22

Fig.1 Load-bearing diagram of lap joints

Tab.1 Parameters of Johnson-Cook model

A/MPa	B/MPa	n	C	$ε ˙ 0 / s - 1$	m
310	1000	0.65	0.07	1	1

Tab.1 Parameters of Johnson-Cook model

A/MPa	B/MPa	n	C	$ε ˙ 0 / s - 1$	m
310	1000	0.65	0.07	1	1

Fig.2 True stress-strain curve of 7050-T7451

Fig.3 True stress-strain curve of TC4

Tab.2 Elastic parameters of materials

结构名称

材料

弹性模量/

GPa

泊松比

密度/

（kg·m $- 3$ ）

Tab.2 Elastic parameters of materials

结构名称

材料

弹性模量/

GPa

泊松比

密度/

（kg·m $- 3$ ）

螺母

304

195.85

0.29

7900

螺栓

TC4

135

0.33

4430

夹层/垫板

7050-T7451

71.7

0.33

2830

Fig.4 Relationship between equivalent plastic damage strain and stress triaxiality

Fig.5 Stress-strain curve of material damage evolution

Fig.6 Tensile-shear simulation model

Fig.7 Diagram of tensile-shear specimen

Tab.3 Setting of testing paramaters

螺母类型	厚度/mm		试验类型	数量
螺母类型	夹层1	夹层2	试验类型	数量
无耳螺母（试验组）	6	3	静力&疲劳	3+3
	6	5	静力&疲劳	3+3
	6	6	静力&疲劳	3+3
	6	7	静力&疲劳	3+3
自锁螺母（对照组）	6	3	静力&疲劳	2+2
	6	5	静力&疲劳	2+2
	6	6	静力&疲劳	2+2
	6	7	静力&疲劳	2+2

Fig.8 Test equipment and clamping method

Fig.9 Tensile-shear simulation process

Fig.10 Stress diagram of the extrusion side and the opposite side

Fig.11 Equivalent plastic strain in the extrusion side and the opposite side

Fig.12 Load-displacement curve during the load-bearing process

Fig.13 Bolt failure section

Tab.4 Static failure load and failure mode

螺母类型	厚度/mm		破坏载荷/kN	破坏模式
螺母类型	夹层1	夹层2	破坏载荷/kN	破坏模式
无耳螺母（试验组）	6	3	14.80	光杆断裂
	6	5	15.40	光杆断裂
	6	6	15.27	光杆断裂
	6	7	15.37	光杆断裂
自锁螺母（对照组）	6	3	15.94	光杆断裂
	6	5	16.34	光杆断裂
	6	6	16.17	光杆断裂
	6	7	16.45	光杆断裂

Tab.5 Fatigue test life and failure mode

螺母类型	厚度/mm		循环次数	破坏模式
螺母类型	夹层1	夹层2	循环次数	破坏模式
无耳螺母（试验组）	6	3	26 524（试件1） 27 328（试件2） 26 266（试件3）	夹层2螺母开孔处断裂
	6	5	120 148（试件1） 116 854（试件2） 170 536（试件3）
	6	6	228 554（试件1） 213 641（试件2） 182 070（试件3）
	6	7	326 448（试件1） 305 655（试件2） 336 897（试件3）	夹层1螺母开孔处断裂
自锁螺母（对照组）	6	3	21 535（试件1） 23 536（试件2）	夹层2螺母开孔处断裂
	6	5	73 986（试件1） 89 094（试件2）
	6	6	82 432（试件1） 64 888（试件2）
	6	7	238 083（试件1） 196 836（试件2）	夹层1螺母开孔处断裂

Fig.14 Comparison of static load and fatigue life

Fig.15 Static specimens of lap joint（after test）

Fig.16 Fatigue specimens of lap joint（after test）

Fig.17 Fatigue failure morphology of lap joint

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