機身壁板軸壓試驗件屈曲分析

摘 要：本文利用nastran軟件中屈曲求解器和靜力求解器對機身壁板軸壓穩(wěn)定性試驗件進行屈曲分析，得到試驗件考核部位的屈曲應力。然后用工程方法計算出的屈曲應力和試驗結(jié)果與有限元結(jié)果進行比較，結(jié)果符合的較好。驗證有限元計算屈曲應力的準確性，為后續(xù)機身壁板設(shè)計和屈曲分析提供參考。

關(guān)鍵詞：線性屈曲；軸壓試驗；機身壁板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.046

1 概述

現(xiàn)今，鉚接化銑壁板作為機身的典型結(jié)構(gòu)之一，為保證其結(jié)構(gòu)安全性，工程人員開展大量的研究[1-4]。臧偉鋒[2]介紹國內(nèi)外機身壁板強度試驗技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。王海燕[3]總結(jié)了軸壓加筋壁板承載能力的幾種工程算法。張國凡[4]等人利用有限元軟件對加筋壁板后屈曲行為進行計算，并和試驗結(jié)果的對比，得到合理的有限元建模計算方法。

這些文章主要對壁板后屈曲也就是壁板的破壞載荷研究較為全面，但對機身鉚接壁板屈曲過程中的屈曲載荷研究并不詳細。在新渦漿飛機設(shè)計中，如何得到合理精確的屈曲載荷解對飛機結(jié)構(gòu)減重有著重要意義。因此，本文對機身壁板軸壓穩(wěn)定性試驗件進行屈曲分析，通過nastran軟件得出試驗件在屈曲時的應力云圖。并通過工程方法計算和試驗結(jié)果驗證屈曲應力的準確性。

2 結(jié)構(gòu)介紹

機身典型壁板以機身下壁板結(jié)構(gòu)和兩處側(cè)壁板結(jié)構(gòu)作為研究對象。蒙皮采用2524-T3材料化銑蒙皮；框為“浮框”形式，采用7075-T62材料；長桁采用7150-T7751材料“Z”擠壓件。試驗件為3個長桁間距，1個框距組成的壁板結(jié)構(gòu)，試驗件見圖1，試驗件尺寸見表1。

3 有限元模型及加載

建立試驗件結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，采用MD_Nastran軟件進行線性屈曲計算模型一端面的節(jié)點簡支，另一端面節(jié)點約束y、z方向位移，并施加強迫位移來模擬截面等應力的受載狀態(tài)。在加載端面施加4mm強迫位移作為計算的初始載荷。軸壓試驗件約束與加載示意圖見圖2。

4 計算結(jié)果及分析

對機身壁板構(gòu)型試驗件采用MD_Nastrn進行線性屈曲分析，通過分析得到的軸壓試驗件屈曲模態(tài)。

在彈性范圍內(nèi)，載荷和變形呈線性關(guān)系。按定義的邊界約束分析得到機身壁板穩(wěn)定性試驗件的結(jié)構(gòu)特征值，進而確定試驗件結(jié)構(gòu)初始屈曲時加載端的強迫位移。然后以相同的約束對試驗件進行靜力計算，得到對應的彈性屈曲軸壓應力。

根據(jù)試驗件結(jié)構(gòu)尺寸，采用文獻[2]中的方法計算得到各試驗件考核區(qū)的彈性軸壓屈曲應力結(jié)果見表2。工程算法公式如下：

其中：為化銑厚度；為長桁間距；為彈性模量，為曲板壓縮臨界應力系數(shù)。

注：表2中試驗結(jié)果取同類構(gòu)型試件試驗結(jié)果的平均值。

從表2中可以看出，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果，基本相當差值范圍在-2.63%～7.16%，但構(gòu)型1試件的試驗結(jié)果與有限元結(jié)果相差較大，其原因是由于壁板夾持端的平行度和垂直度未達到設(shè)計要求引起構(gòu)型1試件試驗結(jié)果分散率較高，達到18.77%，而薄蒙皮機身壁板蒙皮初始屈曲載荷對幾何缺陷敏感。也就是說構(gòu)型1的試件存在初始缺陷而造成其屈曲載荷的試驗結(jié)果較為分散，所以與有限元計算結(jié)果偏差較大。構(gòu)型2、3的試驗結(jié)果分散率都較低，有限元結(jié)果與其符合的較好。從整體趨勢來看，有限元計算結(jié)果與工程計算結(jié)果趨勢基本一致，但與試驗結(jié)果趨勢稍有偏差，可能由壁板初始缺陷造成試驗結(jié)果偏差。

5 結(jié)論

采用nastran軟件對機身壁板軸壓試驗件進行線性屈曲分析，通過計算結(jié)果可知有限元計算結(jié)果與工程計算結(jié)果變化趨勢相一致。在表2中，構(gòu)型1和構(gòu)型4的試件對比可以知道，蒙皮厚度對機身壁板蒙皮軸壓屈曲影響較大，構(gòu)型3和構(gòu)型4的試件對比可得知，即長桁間距不同對機身蒙皮軸壓屈曲有一定的影響。通過對比試驗結(jié)果可知，薄蒙皮機身壁板蒙皮初始屈曲載荷對幾何缺陷較為敏感，對試驗結(jié)果造成較大影響。合理的有限元軟件計算可以較為準確的預測試驗件試驗趨勢，從而得到合理的飛機屈曲分析計算方法。

參考文獻：

[1]航空工業(yè)編委組.飛機設(shè)計手冊（第九冊）[M].航空工業(yè)出版社，

2001.

[2]臧偉鋒，張海英，董登科.機身壁板強度試驗技術(shù)研究[C].第23屆全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議論文集（第Ⅱ冊），2014：488-492.

[3]王海燕，童賢鑫.軸壓加筋壁板承載能力計算方法探討[J].航空工程進展，2010（04）：47-55.

[4]張國凡，段世慧，吳存利.基于有限元的加筋板結(jié)構(gòu)后屈曲分析方法研究[J].強度與環(huán)境，2014，40（02）：43-50.

作者簡介：張國權(quán)（1985-），男，河北井陘人，研究生，工程師，主要研究方向：飛機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。