某型飛機(jī)典型框?qū)宇^損傷容限試驗(yàn)方案的確定

鄭參謀

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院強(qiáng)度部

概述

民用飛機(jī)典型框結(jié)構(gòu)大多采用對拉接頭進(jìn)行連接，為了驗(yàn)證對拉接頭的損傷容限特性，需進(jìn)行損傷容限試驗(yàn)，試驗(yàn)前需先對試驗(yàn)方案進(jìn)行論證和確定。本文通過對典型框?qū)宇^進(jìn)行有限元分析，找出了對拉接頭的應(yīng)力嚴(yán)重部位，確定了某型飛機(jī)典型框?qū)宇^結(jié)構(gòu)的損傷容限試驗(yàn)方案。

結(jié)構(gòu)簡介

典型框由上、下半框緣組成，上、下半框緣采用對拉接頭進(jìn)行連接，上半框緣由內(nèi)外緣條和腹板組成，下半框緣為整體鈑金件。上框緣與上接頭之間，下框緣與下接頭之間，上、下接頭之間均采用高鎖螺栓進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 典型框結(jié)構(gòu)簡圖

試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

選取典型框其中一段框緣與接頭連接結(jié)構(gòu)，采用偏心加載的方式實(shí)現(xiàn)對拉接頭軸力和彎矩的傳遞。試驗(yàn)件及夾持段、加載段連接示意圖見圖2。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將夾持段固定，在加載孔處施加軸向拉伸載荷。試驗(yàn)件與裝卡鋼板之間的裝配關(guān)系見圖3。要求上鋼板與上框緣連接時(shí)，應(yīng)保證加載點(diǎn)P 在接頭底邊形心處產(chǎn)生的偏心距y；下鋼板與下框緣連接時(shí)，應(yīng)保證夾持段螺栓組形心與下接頭底邊形心同軸。鋼板與試驗(yàn)件之間采用高鎖螺栓連接。

試驗(yàn)項(xiàng)目

圖2 試驗(yàn)件及連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 裝配關(guān)系

圖4 有限元模型

圖5 最大主應(yīng)力云圖

圖6 上接頭最大主應(yīng)力云圖

圖7 預(yù)制缺口示意圖

試驗(yàn)項(xiàng)目共三項(xiàng)：1）裂紋萌生試驗(yàn)；2）裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)；3）剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。在同一試驗(yàn)件上進(jìn)行，先進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，再進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)載荷

全機(jī)有限元模型中將框緣與接頭連接結(jié)構(gòu)建為梁單元，上接頭單元編號為1006，最大載荷工況下A端彎矩為260417N·mm，B 端彎矩為69082 N·mm，軸力為2780N。下框緣與下接頭單元編號為1007，對應(yīng)的彎矩和軸力均遠(yuǎn)小于單元1006 上的彎矩和軸力。

試驗(yàn)重點(diǎn)考核區(qū)域?yàn)閷宇^，接頭R 區(qū)靠近梁單元B 端，B 端彎矩遠(yuǎn)小于A 端彎矩，保守選取A、B 端的平均彎矩（164749 N·mm）來進(jìn)行試驗(yàn)加載，試驗(yàn)時(shí)固定下框緣，在上框緣上進(jìn)行加載。

選擇加載點(diǎn)時(shí)，保證軸力在上接頭形心處產(chǎn)生的彎矩為164749 N·mm。加載軸向拉伸載荷P，由于偏心產(chǎn)生等效彎矩，折算后載荷P 距離上接頭形心處偏心距為164749/2780=59.26mm。

根據(jù)全機(jī)有限元疲勞載荷計(jì)算結(jié)果，得到裂紋擴(kuò)展載荷譜中的最大載荷取2780N，采用等幅譜，應(yīng)力比R=0.1。根據(jù)全機(jī)有限元非離散源剩余強(qiáng)度載荷計(jì)算結(jié)果，剩余強(qiáng)度載荷取4091N。

有限元分析

采用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元建模和求解。接頭R 區(qū)范圍內(nèi)（圖中方框內(nèi)）采用20 節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D20R 建立，其它部分采用8 節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R 建立，框緣及連接鋼板均采用S4R 殼單元建立，緊固件均采用Fasterner-Bushing 單元來模擬，接頭底面與夾墊層之間設(shè)置接觸面，在加載孔處施加圖示方向集中力，夾持段固定，進(jìn)行應(yīng)力分析。

有限元模型及單元類型示意圖見圖4，最大主應(yīng)力云圖見圖5、圖6。

預(yù)制缺口

由圖6 可知，靠近外框緣處一顆螺栓正對的接頭R區(qū)應(yīng)力較高，故預(yù)制缺口選擇此處。采用線切割方法預(yù)制缺口，切口長度為2c=8mm，寬1mm，深3.2mm，切口根部半徑不大于0.2mm，為穿透裂紋，見圖7。

施加等幅譜進(jìn)行裂紋萌生試驗(yàn)，當(dāng)預(yù)制缺口尖端出現(xiàn)可見（約1～2mm）疲勞裂紋后，完成裂紋萌生試驗(yàn)，之后依次進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。