民用飛機曲面地板結構損傷容限分析方法

王艾倫

本文討論了民用飛機氣密地板結構特點，給出了一種分析曲面地板結構的方法。通過有限元分析確定應力分布及裂紋萌生位置，將沿裂紋擴展方向的應力分布作為損傷容限分析的輸入，計算裂紋擴展次數。該法與常用的平板工程算法進行比較，雖然過程稍復雜，但結果更為可靠。

分析方法介紹

氣密地板是民用飛機中機身結構的重要組成部分。地板表面及地板梁結構不僅承受客艙商載和充壓載荷，還承擔部分中央翼和主起落架艙傳遞過來的載荷。

在分析航空器地板結構時主要還是采用工程查圖表的方法，許多飛機設計手冊中有各種形狀、各種支承方式和加載方式下的應力撓度曲線圖。飛機結構中地板主要受垂直于表面的壓應力，在壓載作用下板內會產生彎曲應力和引起板件中間平面伸長的軸向拉伸應力。邊界條件通常是簡支和固支，簡支板的復合應力及撓度均發生在板中心處，而固支板長邊中點處復合應力為最大。

大多數情況下，飛機上的板處于這兩種支承情況之間，求解時一般取這兩種邊界條件的平均值。

以上所述都是針對平板，然而許多型號的民用飛機均采用曲面板來承受充壓載荷。相比平面板，曲面板承受氣密壓力的性能較好，可以將法向的壓應力轉化為面板自身的膜應力。在滿足相同強度要求的條件下，飛機設計采用曲面地板比采用平面地板可以節省30%左右的結構重量。本文給出一種基于有限元法的曲面板損傷容限計算方法。

圖1 有限元計算工作應力

算例比較

某型飛機中機身氣密地板結構如圖所示，地板結構由面板、縱向和橫向加強件組成。氣密地板上表面和6 根地板縱梁連接，將氣密載荷傳遞至地板縱梁。相鄰兩根縱梁之間布置6 個波紋槽。

圖2 損傷容限分析模型

圖3 裂紋擴展次數

細化有限元模型見圖1，波紋板建成殼元，承受7.63psi 的壓力，緊固件處約束所有自由度，對稱邊界處限制相對應方向的平移和彎曲約束。

根據應力云圖顯示可以看到：最大應力單元在波紋槽R 區，兩個波紋槽中間應力很小。以波紋槽頂點為原點，建立坐標系，將沿裂紋擴展方向的應力分布作為損傷容限分析的輸入，每次飛行加載1 次。

在NASGRO 中選取非對稱應力分布模型，W=1251mm，t=1.6mm，B=953.14mm，c=3.18mm。

經NASGRO計算后，最終裂紋長度為116.21mm，對應的飛行次數為78433 次，裂紋擴展曲線如圖所示。而若使用平面薄板的工程算法，板中心處的拉彎復合應力為208.88MPa，裂紋從中心擴展至臨界長度時對應的飛行次數僅有3544 次，明顯過于保守。本文的方法對曲面板的損傷容限分析具有參考價值。