Z形長桁加強的壁板承壓性能研究

李維娜

Z形長桁加強的壁板承壓性能研究

李維娜

機身壁板作為機身結構中最大的結構單元，承受機身彎曲、剪切、扭轉載荷以及客艙壓力。對于壁板這種跨度大的結構，應避免其發生總體失穩，可通過布置隔框減小跨度來實現。無限度的布置框來減小跨度，從而提高失穩載荷是不經濟和不必要的。壁板的失效載荷與長桁的承載能力有關，因此獲得又輕又強的長桁結構是飛機設計師的首要目標。本文通過壓縮試驗，研究了兩種不同材料和工藝的Z形長桁對整個壁板承載能力的影響，試驗結果表明鋁鋰合金擠壓長桁比7075鈑彎長桁具有更高的承壓能力和失穩載荷。

現代飛機機身多采用半硬殼式結構（semimonocoque construction），由蒙皮、加強長桁和支撐隔框組成。蒙皮和長桁是機身結構中最大的結構單元，承受著機身彎曲、剪切、扭轉載荷以及客艙壓力。對于壁板這種跨度大的結構，設計時要注意選擇合適的結構形式和尺寸，防止壁板發生失穩。因此，沿機身方向按一定間隔布置隔框，其目的除了保持機身外形外，隔框還縮短壁板的特征長度，避免其發生總體失穩。

拉伸載荷下，結構一般不會發生失穩，結構承載能力與材料屬性——拉伸極限有關。只有在壓縮載荷下，失穩才會發生。剪切失穩，其實也是剪切載荷中的壓縮分量在起作用。工程研究壁板失穩時，通常把蒙皮－長桁壁板整體看成柱，將柱失穩理論應用到壁板上。壁板失效通常是蒙皮屈曲、局部失穩和剪切失穩的混合，蒙皮－長桁的幾何結構形式決定壁板以何種模式失效。蒙皮－長桁壁板中，長桁起到加強蒙皮和承擔主要軸向載荷的作用，因此，長桁的力學性能對壁板承載能力會產生極大的影響。圖1給出了民用飛機壁板中典型的長桁截面。Y型截面的長桁具有最高的結構效率，但由于封閉區域的腐蝕檢測非常困難而不被接受。帽形截面具有較高的結構效率，同樣因為腐蝕檢測問題限制了它的使用。Z形長桁和J形長桁是目前飛機上最常見的兩種，Z形的結構效率更高，J形有良好的破損－安全性，多用于機身縱向蒙皮的連接。

由于具有較高的結構效率，Z形長桁被廣泛用于機身壁板中。除了截面形式，不同材料和加工工藝對元件的承載能力也會產生影響，但這部分研究暫時缺失。鋁鋰合金是近幾十年發展最迅速的金屬材料，將最輕的金屬——鋰元素加到金屬鋁中，在降低合金比重的同時增加剛度，并維持較高的強度、較好的抗腐蝕性、抗疲勞性以及延展性。這些優點讓鋁鋰合金在航空航天以及航海領域取得廣泛應用。7000系列的高強鋁合金因其優異的綜合性能和較輕的重量一直備受航空行業的關注。因此，本文以鋁鋰合金蒙皮+Z形長桁組成的壁板為研究對象，通過壓縮試驗研究不同材料和制造工藝對長桁以及壁板承載能力的影響。

試驗件介紹

試驗件由蒙皮（R=1776mm）和三根長桁組成，長桁間距取150mm，壁板在壓縮方向尺寸為530mm，模擬一個框距的距離。壓縮載荷的施加是通過夾具端的位移來實現，合理控制加載速率來保證準靜態加載，保證軸向載荷盡可能通過試驗件形心，不引起附加彎矩（誤差5%以內）。試驗件分兩組，用于研究不同蒙皮－長桁組合下的壁板壓縮極限承載能力。兩組試驗構型為：

構型一：鋁鋰合金2198－T8 蒙皮，高強度鋁合金7075－T62 Z形鈑彎長桁；

構型二：鋁鋰合金2198－T8 蒙皮，鋁鋰合金2196－T83 Z形擠壓長桁；

圖2給出了擠壓長桁和鈑彎長桁的截面尺寸。

試驗結果與分析

圖1 不同截面長桁的結構效率

圖2 長桁的截面尺寸

圖3 鈑彎長桁壁板的壓縮破壞形式

圖4 擠壓長桁壁板的壓縮破壞

對兩種壁板結構，各準備了4個試樣，進行壓縮試驗。通過試驗觀察到，在位移比較小的時候，壁板發生面內彈性變形，其位移－載荷呈線性關系；當到達一定載荷，壁板發生屈曲變形，部分蒙皮和長桁發生分離（未加載時，鉚釘連接作用下，蒙皮和長桁處處貼合在一起），此時壁板還能繼續承受載荷；繼續加載，蒙皮變形越來越嚴重，想與長桁脫離，終于鉚釘發生斷裂，長桁與蒙皮分離，進而長桁和蒙皮發生明顯彎曲（如圖2、圖3所示）。兩組壁板的破壞載荷和破壞形式結果列于表1。不管對于何種長桁，壁板發生破壞的過程都是蒙皮不堪承載，發生屈曲，想與長桁脫離，最終導致鉚釘斷裂，整個壁板喪失承載能力。試驗結果表明鈑彎長桁壁板的破壞載荷小于擠壓長桁壁板。

表1 試驗結果

表2給出了不同長桁形式下的破壞載荷值以及加載端位移的詳細數據。破壞載荷是指試驗件在加載過程中發生斷裂導致承載能力大幅下降時的載荷。表2中的等效破壞載荷是指破壞載荷除以試驗件截面面積。擠壓長桁的破壞載荷以及加載端位移都明顯大于鈑彎長桁，采用擠壓長桁的蒙皮壁板在軸向壓縮載荷下承載能力更好。

表2 不同長桁形式壁板的壓縮破壞載荷

僅是蒙皮的局部屈曲，并不會導致壁板破壞。屈曲的蒙皮不能承受載荷，而相鄰的長桁會繼續承受載荷，直到達到長桁失穩應力。長桁處的蒙皮承載效率最高，受到長桁的支撐不會發生失穩。跟隨長桁一起承載的蒙皮有一個有效寬度be，它的取值和長桁間距b與蒙皮厚度t的比值b/t有關。試驗中觀察到，在加載初期，蒙皮發生局部屈曲，與長桁分離，這削弱了整個壁板的承載能力，從而降低壁板的破壞載荷。設計時合理選擇b/t，提高蒙皮有效寬度be，最大限度發揮蒙皮的作用。

結束語

本文通過壓縮試驗對比了不同長桁加強的壁板的承載能力和破壞形式。試驗結果表明：鋁鋰合金擠壓長桁壁板的壓縮性能優于7075鈑彎長桁壁板。不管何種長桁，壁板失效方式都是蒙皮先發生屈曲，與長桁分離，隨著載荷增大，鉚釘不堪承載斷裂，最終導致整個壁板皺曲，失去承載能力。試驗結果與理論分析一致，可用于指導后續飛機壁板設計與選材。

李維娜

上海飛機設計研究院結構設計研究部

李維娜（1986－）女，江蘇宿遷，博士研究生，工程師，研究方向：飛行器設計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.012