機身與起落架連接接頭疲勞強度分析方法研究

李寶珠 何 彧 /

(航空工業西飛民機工程技術中心，西安 710089)

0 引言

起落架與機身連接接頭為疲勞關鍵結構，其產生的疲勞裂紋會給飛機的使用安全造成十分嚴重的影響。因此，在設計過程中，需要對其進行疲勞強度評估[1]。

在起落架與機身連接接頭中，主接頭結構型式及受載情況最為復雜，其耳片結構載荷可以直接取自總體有限元模型分析結果，疲勞評估方法較為成熟[2-5]。而對于主接頭其他區域，其載荷分布較為復雜，用飛-續-飛疲勞載荷譜進行疲勞評估時，不同部位地-空-地最大應力大小方向、地-空-地最大應力對應的載荷狀態、應力比及地-空-地損傷比不同(即應力譜不同)，如何較為準確地確定危險部位及其應力譜是進行疲勞強度分析的關鍵和難點，目前與之相關的文獻資料較少。

由于在全機總體有限元模型中一般無主接頭細節特征，因此無法基于總體有限元模型分析結果進行有效的疲勞強度評估。本文建立主接頭細節有限元模型，給出一種主接頭危險載荷狀態以及危險部位應力譜確定方法，在此基礎上進行疲勞和損傷容限分析。

1 結構簡介

某型飛機起落架與機身連接主接頭結構型式如圖1所示，其通過耳片與起落架、前撐桿及后撐桿連接，底座通過螺栓與機身結構連接，主接頭材料為7050-T74511。

圖1 某型飛機起落架與機身連接主接頭結構示意圖

2 分析方法及流程

2.1 危險部位及其應力譜確定方法

1)危險載荷狀態的確定

考慮到：(1)在不同工況下，單元最大主應力方向不一致，理論上不能進行組譜分析；(2)在外載作用下，主接頭應力最大值出現在筋條邊緣或開口邊緣；(3)桿單元僅受軸力，每種工況下，單元應力方向一致，便于組譜分析。基于以上考慮，在主接頭細節模型筋條邊緣和開口邊緣設置桿單元(為確保其不參與載荷傳遞，剛度取無限小，為便于后續描述，將這類桿單元定義為“虛元”)，后續通過提取“虛元”應力，進行組譜分析，來獲取危險載荷狀態。

危險載荷狀態具體確定過程：首先，將主接頭細節模型嵌入總體有限元模型，進行多工況應力分析，提取 “虛元”所有工況下應力，進行應力譜生成及雨流處理，獲得“虛元”地-空-地最大應力。比較獲得“虛元”中較大的地-空-地最大應力，其對應的載荷狀態即為危險載荷狀態，將其作為后續分析的參考工況。

2)危險部位的確定

在參考工況下，對主接頭細節模型進行應力分析，通過應力調查，確定危險部位。

3)危險部位應力譜的確定

引入假設：危險部位的應力譜譜型與鄰近“虛元”應力譜譜型一致，即損傷比λ和應力比R一致。在此假設下，通過提取 “虛元”應力譜可快速獲取危險部位的地-空-地損傷比λ、應力比R，在此基礎上進行疲勞強度分析。

2.2 裂紋擴展壽命分析方法

裂紋擴展壽命分析時，采用Nasgro裂紋擴展控制方程[6]：

(2)

式中：N為循環次數；a為裂紋長度；f為修正系數；R為應力比；ΔK為應力強度因子變程；ΔKth為裂紋擴展門檻值；KC為斷裂韌性；β為幾何系數；σ為遠場工作應力；G，n，p，q為材料常數。

2.3 疲勞分析流程

疲勞分析流程，如圖2所示。

圖2 疲勞分析流程

2.4 損傷容限分析流程

損傷容限分析流程，如圖3所示。

圖3 損傷容限分析流程

3 疲勞和損傷容限分析

疲勞分析確定疲勞最薄弱部位，損傷容限分析給出結構檢查間隔。

3.1 疲勞分析

1)細節模型建立及應力分析

圖4 細化后總體有限元模型示意圖

建立主接頭結構細節模型，將其嵌入全機總體有限元模型(見圖4，其中“虛元”分布見圖5)，進行細節應力分析，離散選取30個代表區域“虛元”(見圖5中黑點)，提取所有工況應力，進行組譜及雨流計數處理，獲得地-空-地最大應力及其對應載荷狀態。比較飛機起飛及著陸相關載荷狀態下“虛元”地-空-地最大應力，結果顯示：“虛元”地-空-地最大應力較高值，均對應“起飛滑跑”載荷狀態(該載荷狀態下，發動機拉力較大，起落架所受航向載荷較大)。因此選取 “起飛滑跑”為參考工況，對主接頭進行分析，主接頭最大主應力分布云圖如圖6所示。

圖5 主接頭上虛元分布示意圖

圖6 最大主應力云圖

2)危險部位及其應力譜的確定

根據應力分析結果，主接頭疲勞細節點為：開口處(見圖7中1、3)，筋條R區(見圖7中2和4)。采用2.1節方法進行分析，獲取疲勞細節點地-空-地最大應力、應力比及損傷比，見表1。

圖7 疲勞細節點示意圖

疲勞細節點編號地空地最大應力/MPa 應力比損傷比1145-0.020.412134-0.180.603120-0.100.504128-0.030.80

3)疲勞分析結果

采用缺口結構DFR分析方法[7]進行疲勞分析，結果見表2。可以得出，編號為1的疲勞細節點壽命最短，為主接頭結構疲勞最薄弱點。

表2 疲勞可靠性壽命(99%可靠度，95%置信度)

3.2 損傷容限分析

1)分析部位及裂紋擴展路徑確定

對疲勞最薄弱點進行損傷容限分析，假定裂紋在開口角部應力最大的位置起裂，沿與最大主應力方向垂直的方向擴展，裂紋擴展路徑如圖8所示。假設初始裂紋為穿透裂紋，裂紋尺寸c=6.4 mm。

圖8 裂紋擴展路徑

2)應力譜確定

采用2.1中介紹的應力譜確定方法，假設裂紋擴展路徑上的應力譜譜型與起裂部位鄰近“虛元”應力譜譜型一致。

開口角部應力分布系數如圖9所示，橫坐標中X為擴展路徑上任一點與起裂點的距離(見圖8)，W為有限寬度取300 mm；縱坐標中，σ/σo為參考工況下裂紋擴展路徑上最大主應力值與起裂部位“虛元”應力比值。

結合鄰近“虛元”應力譜及開口角部應力分布系數(見圖9)，確定整個裂紋擴展路徑上應力譜。

圖9 開口角部區域應力分布

3)剩余強度分析

從全機有限元模型應力分析結果中，提取限制載荷下分析區域“虛元”應力，確定剩余強度載荷，分析可得：臨界裂紋尺寸c=72 mm。

4)損傷容限分析結果

將以上相關信息輸入Nasgro軟件，采用2.2中Nasgro裂紋擴展方程進行裂紋擴展壽命分析，其中7050-T4511材料性能參數見表3。計算獲得裂紋擴展曲線如圖10所示。

表3 7050-T4511材料性能參數

圖10 裂紋擴展壽命曲線

采用渦流無損檢測手段，可檢裂紋尺寸為6.4 mm，從圖10中可得出，從可檢裂紋尺寸擴展到臨界裂紋尺寸，壽命為27 542次起落。重復檢查間隔分散系數取2，可得重復檢查間隔為13 771次起落。

4 結論

通過對主接頭疲勞強度分析，形成了針對復雜接頭結構的疲勞和損傷容限分析方法：

(1)建立主接頭細節模型，并在筋條邊緣引入“虛元”，將此細節模型嵌入全機總體有限元模型進行細節應力分析，通過提取“虛元”應力，進行組譜分析，進而確定主接頭不同區域地-空-地最大應力及其對應的載荷狀態，給出一種主接頭危險載荷狀態的確定方法。

(2)引入合理假設：危險部位的應力譜型與附近“虛元”應力譜型一致，即損傷比和應力比一致。通過提取危險部位附近“虛元”應力譜來快速確定危險部位的應力譜。

(3)在裂紋擴展分析中，考慮了整個裂紋擴展路徑上應力分布情況，提高了裂紋擴展壽命分析精度。