一種結(jié)構(gòu)件R區(qū)清根的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法研究

杜娟，馮栓義，辛志東

（中航飛機(jī)漢中飛機(jī)分公司，陜西 漢中 723000）

1 概述

某飛機(jī)后大門在開關(guān)大門時(shí)，要先將后大門落在開口側(cè)L型大梁水平緣條上，L型大梁緣條R圓角應(yīng)為2.5mm,現(xiàn)R圓角為1mm(即該結(jié)構(gòu)件R區(qū)清根)，該結(jié)構(gòu)部位主要承受機(jī)體氣密載荷和外載荷，清根后增大了緣條根部應(yīng)力集中，既清根對該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響較大，本文通過應(yīng)力疲勞分析，緣條清根后疲勞壽命不夠，為了彌補(bǔ)R圓角缺失引起的應(yīng)力集中，改變疲勞危險(xiǎn)部位，增加疲勞壽命，選定一種特制角盒，由特制角盒立筋受拉傳遞緣條突緣氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應(yīng)力，彌補(bǔ)緣條R圓角缺失導(dǎo)致的疲勞壽命降低，使其能同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)安裝及強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法及影響分析

2.1 結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方法

某飛機(jī)后大門開口側(cè)L型大梁緣條在傳遞載荷時(shí)，圓角的缺失對緣條應(yīng)力集中的影響非常明顯。由于緣條已裝機(jī)，拆卸更換涉及很多零件的配合協(xié)調(diào)，增加角盒零件可以提高該型材（超差R角減小后）根部的抗彎曲能力和降低根部應(yīng)力集中，從而增加疲勞強(qiáng)度。特制加強(qiáng)角盒，每兩個(gè)框之間單側(cè)型材等距安裝2個(gè)加強(qiáng)角盒，用角盒立筋對緣條R圓角的缺失進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2.2 結(jié)構(gòu)補(bǔ)償影響

特制加強(qiáng)角盒后，對飛機(jī)的影響主要涉及后大門的開關(guān)這個(gè)功能性影響，飛機(jī)重量影響，維護(hù)性影響，后大門的氣密性影響，安裝工藝性影響等。

（1）功能性影響。結(jié)構(gòu)在原有緣條上增加了28個(gè)角盒后，由于增加角盒在緣條R區(qū)，飛機(jī)后大門的開關(guān)在緣條的水平面上，不影響后大門的開關(guān)，既增加角盒對機(jī)身后大門的開關(guān)這個(gè)功能性無影響。

（2）重量影響。結(jié)構(gòu)增重估算：結(jié)構(gòu)增加了28個(gè)角盒重量和連接標(biāo)準(zhǔn)件重量。單個(gè)角盒重量0.05kg，角盒總重1.4kg；標(biāo)準(zhǔn)件增重約0.4kg，因此結(jié)構(gòu)總增重1.8kg左右。且在50～58框間均勻分布，對整個(gè)后機(jī)身重量重心影響不大，增加的這些重量對于軍用運(yùn)輸機(jī)是可以接受的。

（3）維護(hù)性影響。新增加強(qiáng)角盒零件結(jié)構(gòu)形式同機(jī)身其他框位處角盒形式，是機(jī)身固定結(jié)構(gòu)件，不增加額外維護(hù)工作，維護(hù)性同原大梁結(jié)構(gòu)。

（4）后大門氣密性影響。新增加強(qiáng)角盒蒙皮方向尺寸經(jīng)過協(xié)調(diào)，安裝后不會(huì)對后大門密封帶產(chǎn)生摩擦和刮蹭，因此對后機(jī)身結(jié)構(gòu)氣密無影響。

（5）安裝工藝性。安裝加強(qiáng)角盒時(shí)，因?yàn)椋總€(gè)隔框之間已有為了下部緣條和側(cè)腹板連接安裝的工藝口蓋，因此可以借助原有口蓋完成加強(qiáng)盒與側(cè)腹板的結(jié)構(gòu)連接。內(nèi)部螺栓安裝時(shí)，原有結(jié)構(gòu)能夠保證有足夠的工藝通道。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估

3.1 靜強(qiáng)度評估

緣條的靜強(qiáng)度計(jì)算模型相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，圓角R的缺失相當(dāng)于在圓角處截面積的減少，應(yīng)力會(huì)相應(yīng)地增大。緣條R圓角為2.5mm時(shí)，緣條截面面積：F=261.56mm2，R圓角為1mm時(shí)截面面積：F=261.12 mm2。緣條R圓角為2.5mm時(shí)強(qiáng)度σR=2.5=S/FR=2.5，緣條R圓角為1mm時(shí)強(qiáng)度σR=1=S/FR=1，強(qiáng)度損傷比 σR=1/σR=2.5=（S/FR=1）/（S/FR=2.5）=261.12/261.56=0.998，靜強(qiáng)度損傷了0.168%，緣條剖面面積略有損失，在受軸向載荷時(shí)緣條應(yīng)力有所增加，但增加量非常小，靜強(qiáng)度基本無影響。

3.2 壽命評估

為評估緣條R圓角缺失對壽命的影響，用ABAQUS有限元分析軟件建立兩個(gè)有限元模型，兩個(gè)模型唯一的不同之處是一個(gè)R圓角為2.5mm，一個(gè)R圓角為1.0mm，其余材料屬性，邊界條件均相同。材料彈性模量E取71000MPa，泊松比ν取0.3，網(wǎng)格類型選擇C3D8R，125600個(gè)網(wǎng)格單元，簡支約束一面，約束型材兩端x方向位移，在型材面內(nèi)施加所受的外載荷1893.3N及氣密載荷600N，共2493.33N。

有限元計(jì)算分析結(jié)果：有限元計(jì)算結(jié)果顯示，圓角處應(yīng)力最大，為零件疲勞危險(xiǎn)部位，圓角R為1.0mm模型，最大應(yīng)力為145.4MPa；圓角R為2.5mm模型，最大應(yīng)力為130.9 MPa。載荷在通過緣條根部傳向約束處時(shí)，緣條根部截面突變，應(yīng)力集中高，有限元計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力都在緣條根部，圓角R=2.5mm的應(yīng)力明顯大于圓角R=1mm的應(yīng)力，與前期分析一致，有限元計(jì)算結(jié)果可信。

型材在承受一定的氣密載荷時(shí)，型材是以彎曲的形式傳遞載荷，在型材圓角位置產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，使得疲勞性能降低，適當(dāng)?shù)膱A角過渡可以降低應(yīng)力集中，從而提高疲勞壽命。

疲勞評估：疲勞壽命的評估有名義應(yīng)力法，應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法，局部應(yīng)變法，場強(qiáng)法等，鑒于緣條R圓角的缺失通過名義應(yīng)力法就可以體現(xiàn)出來，選擇名義應(yīng)力法對緣條R角進(jìn)行壽命評估。

采用名義應(yīng)力法估算零件的疲勞壽命：

名義應(yīng)力

σn=6M/bt2=6×2493.33×11.5÷400÷（2.5）2=68.81MPa

圓角R為1.0mm應(yīng)力集中系數(shù)K1=145.4÷68.81=2.11

圓角R為2.5mm應(yīng)力集中系數(shù)K2=130.9÷68.81=1.90

應(yīng)力集中系數(shù)比η=K1/K2=1.11

工程上常用的鋁合金疲勞壽命方程為SαN=C，其中α、C為材料常數(shù)，則圓角R=1.0mm的疲勞壽命與圓角R=2.5mm疲勞壽命的關(guān)系式為：

材料LY12鋁合金的α一般取5～7，現(xiàn)取α為5。

N2=0.59N1，即圓角R=1.0mm的疲勞壽命等于圓角R=2.5mm疲勞壽命的59%，

其中：N1為圓角R=2.5mm的疲勞壽命，S1為N1對應(yīng)的應(yīng)力，N2為圓角R=1.0mm的疲勞壽命，S2為N2對應(yīng)的應(yīng)力。查LY12材料的S-N曲線的等壽命曲線及上節(jié)有限元計(jì)算，保守取應(yīng)力集中系數(shù)Kt為3，一次飛行2次開關(guān)后大門，疲勞分散系數(shù)取4，最小應(yīng)力為0MPa，圓角R=1.0mm時(shí)最大應(yīng)力為145.4MPa,壽命為13750次起落，有圓角R=2.5mm時(shí)最大應(yīng)力為130.9MPa，壽命為25000次起落。針對零件圓角R=1.0mm過渡疲勞壽命不足，現(xiàn)增加特制角盒，設(shè)計(jì)特制角盒立筋受拉傳遞氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應(yīng)力，改變載荷傳遞路徑，降低緣條圓角位置應(yīng)力集中。

在依據(jù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案，建立有限元模型，約束、載荷施加均和超差未加強(qiáng)模型（緣條R圓角為1.0mm）相同。螺栓連接是機(jī)械結(jié)構(gòu)中最常用的連接方式之一，它的有限元模擬仿真是有限元仿真分析中比較復(fù)雜的問題之一。對于螺栓的有限元模擬仿真通常有以下幾種方法：（1）采用梁單元模擬，并耦合自由度；（2）采用多個(gè)彈簧元模擬，設(shè)置彈簧元的剛度系數(shù)；（3）采用三維實(shí)體建模，設(shè)置接觸，綁定，施加螺栓預(yù)緊力來模擬。根據(jù)模型結(jié)構(gòu)主要考核緣條R圓角缺失對疲勞壽命影響的實(shí)際情況，螺栓本身及加強(qiáng)角盒只是進(jìn)行傳力，不是本文的考核重點(diǎn)，因此，本文在建立有限元應(yīng)力分析模型時(shí)，直接選用梁單元來模擬螺栓連接。螺栓連接計(jì)算選用國際上公認(rèn)先進(jìn)的非線性有限元分析軟件ABAQUS，把CATIA模型導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，建立有限元模型。在有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，對重點(diǎn)連接部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。

有限元計(jì)算結(jié)果顯示，增加了加強(qiáng)角盒，改變了結(jié)構(gòu)的傳力路徑，降低了緣條的局部彎曲應(yīng)力，現(xiàn)應(yīng)力最大部位在角盒立筋位置，緣條圓角位置上最大應(yīng)力降為98.91MPa，比原圓角R=2.5mm緣條最大應(yīng)力130.9MPa小，滿足疲勞壽命要求。由有限元分析計(jì)算結(jié)果可以看出，通過在緣條上增加一定數(shù)量的角盒，水平緣條上的氣密載荷通過角盒傳向豎直邊，使得緣條根部應(yīng)力大大降低，即由特制角盒立筋受拉傳遞緣條突緣氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應(yīng)力，彌補(bǔ)緣條R圓角缺失導(dǎo)致的疲勞壽命降低，使得緣條根部不是疲勞危險(xiǎn)部位。

4 結(jié)語

綜上所述，緣條根部過渡圓角R清根后，應(yīng)力集中系數(shù)增大，疲勞壽命降低很多，不能滿足飛機(jī)零件壽命要求，通過增加特制角盒，設(shè)計(jì)特制角盒立筋受拉傳遞緣條突緣氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應(yīng)力，彌補(bǔ)緣條R圓角缺失導(dǎo)致的疲勞壽命降低，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)挠绊懛治觥㈧o強(qiáng)度分析、疲勞評估，可知，結(jié)構(gòu)處理方案能夠滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。