基于試驗數據的金屬機體結構WFD 評定

劉海濤，何 彧

（航空工業西飛民機，陜西 西安 710089）

為延長設備的使用壽命，金屬機身結構設計必須確保其具有足夠的耐久性[1],而廣布損傷問題是影響續航的重要問題[2]。為此開展了金屬機身等直段疲勞試驗。在試驗進行到50000 多次循環時，發現多個框在相近的部位斷裂，在后續的試驗檢查中，連續發現其它框在相同部位也出現裂紋或斷裂。

針對該試驗損傷情況，進行了有限元應力分析，發現斷裂處框應力水平很高，是發生疲勞斷裂的主要原因。由于多個框都發生斷裂，是一個典型的多元件損傷情況，經應力比較分析，這些框應力水平相近，且結構細節相同，因此根據廣布疲勞損傷（WFD）敏感結構判定原則，可判斷為多元件（MED）敏感結構。

根據該等直段疲勞試驗中，框出現裂紋或斷裂試驗壽命數據，采用試驗特征壽命計算方法[3]，計算出框斷裂平均壽命。通過對斷框結構的有限元模擬分析，可見某一框斷裂后，對相鄰框的影響較小，模擬分析還表明試驗件在多個框斷裂后，仍能承受要求的剩余強度載荷。為驗證該分析推論，在剩余強度試驗中保留了所有斷框損傷，最終通過了試驗驗證。因此框斷裂特征壽命可保守地作為該WFD 敏感結構平均行為NWFD[4]。根據框結構的可檢性，可以確定出檢查起始點（ISP）和結構維修點（SMP），從而完成機身框結構的WFD 評定。

1 試驗描述

在金屬機身研制過程中，為研究結構細節設計特性，開展了機身等直段疲勞及損傷容限研發試驗。試驗件選取真實飛機機身22 號框位至28 號框位（其中包含機身對接結構）作為試驗考核區域，考核區兩端各增加3 個半框位用于試驗件支持及載荷過渡，試驗件及試驗支持加載情況。

試驗載荷譜依據機身此處對接框位的載荷譜通過等損傷折算得到的，為簡化試驗加載，試驗載荷譜為等幅譜。疲勞載荷工況為綜合工況，試驗時同時施加增壓載荷和彎矩載荷，一次加載循環代表一次飛行起落。

圖1 等直段試驗件及試驗加載支持圖

在試驗進行至57000 次循環時，停機檢查發現試驗件左側的24、25、26、28 框在第13 長桁位置處斷裂。試驗進行至58000 循環時，停機檢查發現左側23 框在第14 長桁位置處斷裂；由于目視檢測可能無法發現全部裂紋，所以進行超聲波渦流檢測，檢測后發現左右兩側22 至28 框之間在13、14 長桁位置處出現多處裂紋，框損傷典型情況見圖2，具體數值見表1。

圖2 框損傷情況照片

表1 框試驗壽命

60000 次循環裂紋擴展試驗完成以后進行兩種工況的剩余強度試驗，一種是純氣密工況；一種是氣密壓力和飛行載荷組合的綜合工況。兩個工況剩余強度試驗過程加載平穩，無異常聲響及現象發生，試驗結束后進行全面檢查，未發現結構產生進一步的損傷。

2 損傷分析

為分析框損傷產生原因和框斷裂對相鄰框及附近蒙皮的影響，建立等直段試驗件多個損傷狀態下的有限元模型，采用試驗支持方式進行有限元模型約束，施加試驗載荷進行分析計算。

2.1 有限元應力分析

根據應力計算結果，通過圖3 框應力分布圖可以看出在框斷裂處靠內緣條一側應力顯著偏高，且在斷裂處有框腹板與長桁角片的連接釘孔，因此該部位是疲勞薄弱部位。

整個考核段各個框的應力分布見圖4，試驗件結構以及試驗加載左右對稱，對各個框在左側地板上第二個長桁間距處的應力水平值進行統計，內緣條的應力值統計結果見表2，通過圖4和表2 的整個考核段各個框的應力比較圖可以看出等直段區域框的應力水平相當，由于各框結構形式相同，金屬機身等直段壁板結構屬于MED 結構。

圖3 框應力分布圖

圖4 一側框應力比較圖

表2 框高應力區內緣條應力統計

2.2 框斷裂后影響分析

為評估框斷裂對等直段試驗件的影響，分別建立一個框斷裂后的有限元模型（圖5）和多個框斷裂的有限元模型（圖6），比較可見：框斷裂后相鄰框的應力值沒有顯著提高，且多個框斷裂后蒙皮的應力水平沒有顯著提高，可確保結構滿足剩余強度要求[5]。

圖5 一根框斷裂后應力分布圖

圖6 多框斷裂后應力分布圖

3 WFD評定

3.1 WFD 敏感結構區域判定

試驗損傷情況表明等直段試驗件多個框結構出現損傷，損傷區域集中分布在框的12 長桁至14 長桁之間，結合有限元應力分布情況可以判定該區域為WFD 敏感結構區域。試驗件左右兩側的結構和載荷相同，可將左右兩個區域分別統計計算。

3.2 試驗特征壽命計算

根據廣布損傷評定原則需確定WFD 結構平均壽命行為，針對試驗結果計算疲勞特征壽命。對于n 個試件其中有r 個試件破壞時，特征壽命的估值通過下面公式計算：

r——試驗中破壞的試件數，本次分析所有的考核框均保守以最后破壞計算。

α——材料參數，對于鋁合金取4。

Ni——框的壽命數據，采用表1 中的數據，對于首次檢查框已斷裂的框，取上次檢查的循環壽命，對于檢測到裂紋但未完全斷裂的框，取首次檢查到裂紋的壽命值作為壽命數據，對于未發現裂紋的框，取60000 次循環壽命（不完全壽命）進行計算。

分別計算左右兩側框的特征壽命：

（1）左側框特征壽命為：55142 次循環。

（2）右側框特征壽命為：59135 次循環。

3.3 ISP 和SMP 的確定

為驗證該廣布損傷結構的剩余強度，試驗時保留所有框的損傷進行，結果表明等直段試驗件結構能夠滿足剩余強度要求，因此可保守以疲勞的特征壽命作為WFD 平均行為的判定，制定損傷容限評定的起始檢查點（ISP）和結構維修點（SMP）。金屬機身框結構損傷屬于可檢且易檢結構，根據通告分別計算左右兩側框的ISP 和SMP[6]，見表3。

表3 起始檢查點和結構維修點

通過表3 可見左側框的ISP 和SMP 比右側小，在進行WFD評定時選擇小值作為整體框的ISP 和SMP。

4 結論

本文在金屬機身等直段疲勞試驗結果的基礎上，通過對一個典型MED 結構中相鄰框結構疲勞壽命分析處理，從而對該結構的WFD 平均行為進行評定，可以推廣應用到其它MED 類WFD 敏感結構的評定中。