機身壁板疲勞試驗件過渡區設計

奚 蔚 沈培良上海飛機設計研究院強度設計研究部奚蔚（1986-）男，博士，工程師，主要研究方向為疲勞與斷裂、隨機有限元；沈培良（1980-）男，高級工程師，主要研究方向為疲勞與斷裂。

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機身壁板疲勞試驗件過渡區設計

奚 蔚 沈培良
上海飛機設計研究院強度設計研究部
奚蔚（1986-）男，博士，工程師，主要研究方向為疲勞與斷裂、隨機有限元；沈培良（1980-）男，高級工程師，主要研究方向為疲勞與斷裂。

本文針對機身壁板環向對接疲勞試驗件過渡區的設計問題，提出的觀點在航空結構疲勞試驗領域起到作用。

如付諸現實將產生相當大的經濟效益，每件試驗件可節省設計、制造和試驗等費用大約50萬元。

點評人：施劍瑋，上海飛機設計研究院強度部高級工程師，研究方向為結構疲勞與斷裂。

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評估值230萬

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本文對機身壁板環向對接疲勞試驗件的傳力特點進行了分析，設計了三種含不同過渡區的試驗件，分別計算了它們過渡區危險細節處的疲勞壽命，并進行了對比，結果表明過渡區采用指形變厚度墊板試驗件的載荷傳遞更加緩和，長桁和蒙皮的工作應力較均勻，過渡區與考核區最短壽命之比更高，更能滿足疲勞試驗件設計技術要求。

飛機結構的疲勞性能需要用試驗進行驗證，疲勞試驗驗證通常采用積木式方法，按試驗的復雜度，將試驗分成試件級、元件級、子部件級、部件級和全尺寸級。機身壁板環向對接疲勞試驗件屬于子部件級，其試驗件數量在十個左右，單個試件造價高，后續疲勞試驗費用昂貴。疲勞試驗件通常包括考核區、過渡區和加載區，并要求過渡區和加載區的壽命遠遠大于考核區的壽命，通常在三倍以上。如果不能滿足該要求，由于疲勞壽命具有較大的分散性，試驗過程中可能出現過渡區較考核區先出現裂紋的情況，試驗件將無法取得有效壽命數據，帶來很大的經濟損失。

本文通過對機身壁板環向對接疲勞試驗件傳力特性的研究，設計了三種含不同過渡區的試驗件，對試驗件過渡區的疲勞壽命進行了計算和對比，結果表明過渡區采用指形變厚度墊板可以充分滿足考核區過渡區疲勞壽命之間的倍數要求，達到試驗件設計技術要求。

機身壁板環向對接疲勞試驗件傳力分析

典型試驗件形式如圖1所示。在機身壁板環向對接區域，即考核區，左右兩側長桁通過長桁接頭連接，蒙皮通過對接帶板連接。加載區用于連接加載設施。過渡區用于將加載區的載荷均勻傳遞到考核區，使考核區應力分布情況與實際情況盡可能相同。由于機身壁板長桁多采用擠壓型材，其截面形狀在整個長度范圍內相同，無法通過加大過渡區長桁截面尺寸的方式，降低過渡區內長桁工作應力，提高疲勞壽命。同時，蒙皮由于加工工藝限制，其在過渡區內的截面尺寸與考核區的相比也無法改變。出于前述原因，只能通過改變過渡區的傳力特性，使力的傳遞更加緩和，各元件傳力更加均勻，同時改善疲勞薄弱位置的細節設計，來提高過渡區疲勞危險細節的壽命。

不同過渡區設計的疲勞性能對比

本文設計了三種過渡區形式，對它們疲勞危險細節的壽命進行了分析對比。

過渡區采用機加接頭

過渡區形式如圖2所示。過渡區采用機加接頭，接頭下方有兩層墊板。載荷加在墊板和蒙皮上，墊板上載荷大部分向接頭傳遞，再傳至長桁?？己藚^中，長桁接頭立邊和長桁立邊連接端部緊固件處（見圖1）是疲勞危險細節。過渡區中，紅色圓圈標記緊固件處的長桁是危險細節。它們壽命之間的

圖1 疲勞試驗件示意圖

point對比見表1，其中σbr代表孔邊擠壓應力，σg代表工作應力，ψ代表載荷傳遞系數，DFR代表細節疲勞額定值，N95/95代表具有95%可靠度和95%置信度的壽命，每個參數的具體計算方法見文獻。

圖2 采用機加接頭過渡區示意圖

圖3 采用兩層大面積墊板過渡區示意圖

圖4 采用指形變厚度墊板過渡區示意圖

表1 考核區與過渡區危險細節壽命對比

過渡區采用兩層大面積墊板

過渡區形式如圖3所示。過渡區采用兩層大面積墊板，第一層墊板從長桁端頭處繼續向考核區延伸10顆緊固件的距離，第二層墊板延伸8顆。過渡區接頭長度縮短。載荷加在墊板和蒙皮上，墊板上載荷大部分直接向蒙皮傳遞?？己藚^的疲勞危險細節不變。過渡區中橙色圓圈標記處是疲勞危險細節，其中墊板長桁連接處的危險細節在長桁上，墊板蒙皮連接處的危險細節在蒙皮上。它們壽命之間的對比見表2。

表2 考核區與過渡區危險細節壽命對比

過渡區采用指形變厚度墊板

過渡區形式如圖4所示。過渡區采用指形變厚度墊板，墊板位于長桁和蒙皮之間。載荷加在墊板和蒙皮上，墊板上載荷直接向長桁和蒙皮傳遞。考核區的疲勞危險細節不變。過渡區中紅色圓圈標記處是疲勞危險細節，其中長桁墊板連接處的危險細節在長桁上，墊板蒙皮連接處的危險細節在蒙皮上。它們壽命之間的對比見表3。

表3 考核區與過渡區危險細節壽命對比

討論

對過渡區采用機加接頭的試驗件，墊板上載荷大部分向接頭傳遞，再傳至長桁，長桁立邊和底邊傳遞載荷較多，其中長桁立邊上疲勞危險細節壽命較短；

對過渡區采用兩層大面積墊板的試驗件，墊板上載荷大部分直接向蒙皮傳遞，又因墊板在同一截面位置處終止，剛度變化劇烈，導致該處蒙皮工作應力很大，蒙皮上疲勞危險細節壽命較短；

對過渡區采用指形變厚度墊板的試驗件，墊板上載荷直接向長桁和蒙皮傳遞，由于墊板采用了指形和變厚度設計，往考核區方向，其剛度逐漸減弱，使得載荷的傳遞更加緩和，長桁底邊和蒙皮的工作應力較均勻，其中長桁底邊上疲勞危險細節壽命較短；

對比三種過渡區設計情況下的過渡區考核區最短壽命比，采用指形變厚度墊板試驗件的比值最大，為5.85，遠高于3倍的設計要求，效果很好。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.040