飛機機翼下壁板對接件損傷容限方法研究

摘要：損傷容限評定工作是飛機結構設計和結構壽命估算工作的重要環節，本文立足于工程實際，針對機翼下壁板，開展了斷裂力學特性分析和損傷容限方法研究，為結構選型提供基礎數據。本文針對飛機機翼下壁板對接結構，提出了針對此類結構的損傷容限評定的基本方法和流程，運用ANSYS數值仿真及計算獲得了裂紋動態擴展過程中的應力強度因子[2]。本文研究飛機機翼下壁板結構損傷容限評定具有工程使用價值，為飛機結構采用此類結構的損傷容限評定提供了方法和技術[3]。

關鍵詞：應力強度因子，損傷容限，機翼下壁板

1機翼下壁板結構參數化設計思路

模擬典型T桁條和蒙皮（含凸臺）加筋結構使用ANSYS參數化設計語言（ANSYSParametricDesignLanguage）——APDL。此為一種解釋性語言，可以用來自動完成一些適用性強的任務，也可以用于根據參數來建立模型。APDL還包括其它很多特性，諸如重復某條命令，宏，if-then-else分支，do循環，標量、向量及矩陣操作等[5]。

思路如下：

在ANSYS9.0中建立了機翼下壁板結構的有限元模型，其中蒙皮和桁條均選取彈性八結點殼單元SHELL93模擬;鉚釘選用銷釘單元COMBIN7模擬，由于結構的鉚釘非常多且間距與規格相同，建模過程中采用循環建立銷釘單元，簡化了建模過程。裂紋尖端選取奇異單元QPE（QuarterPointElement）模擬。

長桁用SHELL93單元（此常用單元參考ANSYS幫助文檔）進行模擬，型材各個部分的厚度取為單元的厚度。蒙皮單元也用SHELL93單元，單元的厚度與蒙皮的實際厚度相同。有凸臺的位置蒙皮單元厚度為1.8mm，其它單元的厚度為1.5mm。

根據結構的對稱性，選擇了一半結構用于計算，參考應力： ，P=100KN。蒙皮和長桁都加載，約束取對稱約束。在建模計算過程中，裂紋建成半裂紋模型，開裂的部分不約束，動態計算了各種組合情況的應力強度因子。

下面機翼下壁板結構（不含裂紋面的）的靜力模型[7]。

從圖3可以看到，整個結構的應力還是比較均勻，左右應力水平也比較對稱，由于模型長度較短，邊界效應比較明顯，分析時候忽略邊界效應的影響。蒙皮與桁條都施加載荷，整體結構的傳力比較均勻，釘孔位置的應力相對蒙皮與其他位置而言應力水平較低，結構設計較優[6]。

圖4典型T桁條和蒙皮（含凸臺）加筋結構（無裂紋）X方向上的位移云圖

圖4可以看到結構的X向位移也比較對稱。這就為后邊的裂紋按照對稱擴展分析奠定了基礎。

2機翼下壁板結構斷裂力學參數計算

圖5典型T桁條和蒙皮（含凸臺）加筋結構的開裂模式圖給出了結構的六種開裂模式，針對初始開裂模式（含六個裂紋尖端）定義為開裂模式<1>，對應于下圖的有限元模型開裂模式<1>，中間開裂模式<3>對應與有限元模型開裂模式<2>。本文只給出兩個開裂模式有限元模型圖，計算數據還是給出每個裂紋的應力強度因子，由于結構和開裂模式比較對稱，經過比較兩個裂紋尖端的應力強度因子還是非常相近的[4]。

圖5中給出了其中兩種開裂模式的有限元模型圖，圖<1>是有六個裂紋尖端的網格圖，按照對稱分析時候只需要分析三個裂紋的擴展情況和相互影響。圖<2>因為B和C裂紋已經和中間對接縫貫穿，所以形成以A和D為裂紋尖端的長裂紋。裂紋長度計數法和試驗中相對應，由于蒙皮在有限元模型中簡化為一個平面，模型中的角裂紋按照1mm的穿透裂紋處理。

3機翼下壁板結構的應力強度因子計算

求解應力強度因子的方法有多種，但對于比較復雜的結構中的裂紋問題，有效的方法還是有限元法。本文采用有限元求解應力強度因子的方法直接法，基于1/4節點單元的位移法，這種特殊單元能夠反映裂紋尖端的奇異性，不需要用過細的網格就可以得到比較精確的結果。通過ANSYS計算的應力強度因子。相關曲線如圖6是蒙皮無裂紋的不同長桁裂紋的無量綱應力強度因子曲線;圖7是長桁上無裂紋蒙皮上裂紋B和C已經貫穿，只有A和D裂紋的無量綱的應力強度因子曲線。

4下壁板結構不同開裂模式下的應力強度因子分析

圖7給出的曲線是蒙皮不含裂紋的不同長桁裂紋的無量綱的應力強度因子曲線。當桁條裂紋E和F還沒有貫穿的時候，E和F裂紋尖端的應力強度因子基本相近，便于作曲線只選取較大值得一端。在曲線中前三點表示的就是還有兩個裂紋尖端的無量綱應力強度因子，曲線凸峰最高點是桁條裂紋擴展到型材拐角處并且已經貫通成一個裂紋G的數據點。曲線的趨勢和《民機損傷容限設計手冊》[1]典型蒙皮和“工”型桁條加筋結構的趨勢一致。

5結束語

對有限元方法中在裂尖使用奇異單元計算應力強度因子的方法進行了歸納和總結，應用有限元分析軟件ANSYS計算了新型渦扇飛機機翼下壁板結構不同開裂模式的應力強度因子，本章給出了典型“T”字型桁條和蒙皮（含凸臺）加筋結構的開裂模式，并且計算了兩種開裂模式下蒙皮裂紋和長桁裂紋組合情況下的應力強度因子，并將其無量綱化和繪出曲線圖。為后邊的裂紋擴展分析和剩余強度分析提供了基礎的數據。

參考文獻：

[1]《民機耐久性及損傷容限設計手冊》，航空工業出版社，2003

[2]《損傷容限設計手冊》，西北工業大學出版社，1989

[3]《飛機耐久性及損傷容限設計手冊》，航空航天部技術研究院

[4]傅祥炯，《結構疲勞與斷裂》，西北工業大學出版社，1995

[5]《FRACTUREANALYSISOFTHEFAA/NASAWIDESTIFFENEDPANELS》

[6]《飛機結構強度》，北京航空航天大學出版社，2005

[7]《TheMechanicsofFractureandFatigue》，

作者簡介：張妮娜，1982.4.20出生，籍貫：會寧，民族，漢，性別：女，學歷：碩士研究生。畢業院校：西北工業大學，研究方向：固體力學