機(jī)身蒙皮劃窩對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞額定值的影響

彭乾坤,周顏 ,張彥軍 ,曾建江 ,孫琰翔

(1. 南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院,江蘇 南京 210016; 2. 航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710072)

0 引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞破壞一直是一個(gè)廣受關(guān)注的問題,20世紀(jì)70—80年代,基于民用運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要受力特征,美國波音公司提出了一種稱為細(xì)節(jié)疲勞額定值法的疲勞及耐久性分析評定方法[1-4]。細(xì)節(jié)疲勞額定值是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)本身固有的一種疲勞特性值的表征,是指當(dāng)應(yīng)力比R=0.06時(shí),結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)壽命具有95%置信度、95%可靠度,能夠承受105次載荷循環(huán)所對應(yīng)的最大應(yīng)力值。

鉚接是國內(nèi)外飛機(jī)機(jī)體制造的傳統(tǒng)工藝。近年來,許多新方法,如焊接、膠結(jié)等工藝逐漸在飛機(jī)制造中興起,但鉚接仍然是一個(gè)主要的連接形式[5-6]。飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼蒙皮表面需要保證平滑,不允許鉚釘凸出,所以需要用到沉頭鉚釘,但沉頭鉚釘會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞性能降低,且具體降低多少缺少相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文針對典型雙剪搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)了4組48件試驗(yàn)件。首先利用試驗(yàn)測定結(jié)構(gòu)的DFR值,再利用ABAQUS仿真分析計(jì)算釘載,通過理論方法計(jì)算結(jié)構(gòu)DFR值[7-9],為飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)疲勞性能計(jì)算提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)概述

本試驗(yàn)選取典型雙剪搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)件分為連接帶板考核段和基板加持段兩部分。試驗(yàn)件分為鉚接沉頭、鉚接平頭兩種連接方式。試驗(yàn)件示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)件示意圖

試驗(yàn)件具體類型和數(shù)量如表1所示。

表1 試驗(yàn)件明細(xì)表

試驗(yàn)件連接帶板和基板材料均為2A12,緊固件材料為2A10。材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

1.2 試驗(yàn)裝置與載荷

為計(jì)算得到試驗(yàn)件DFR值,本試驗(yàn)在MTS液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)載荷譜為應(yīng)力等幅譜,應(yīng)力比為0.06,正弦波加載,頻率為10Hz。最大應(yīng)力按照疲勞調(diào)試結(jié)果確定,試驗(yàn)件初步估計(jì)最大應(yīng)力值(連接帶板應(yīng)力)為100MPa。為滿足疲勞特征壽命β在15～40萬之間,需要每一組選擇一個(gè)應(yīng)力水平,保證有效試驗(yàn)件不小于5件。所以在每一組開始試驗(yàn)前,選取2或3件試驗(yàn)件來尋找合適的應(yīng)力水平。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共4組,每組12件試驗(yàn)件,破壞形式包括帶板孔邊斷裂、基板斷裂。其中基板斷裂和為尋找合適應(yīng)力水平損失的試驗(yàn)件視為無效試驗(yàn)件。有效試驗(yàn)件斷裂方式均為帶板孔邊首先產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而擴(kuò)展至斷裂。如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)件破壞圖

疲勞破壞斷口有裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、裂紋瞬斷區(qū)3個(gè)部分。不同試驗(yàn)件的斷裂形態(tài)相似,圖3所示為鉚接沉頭試驗(yàn)件斷口形態(tài),圖4為鉚接平頭斷口形態(tài)。

圖3 鉚接沉頭連接試件斷口形態(tài)

圖4 鉚接平頭連接試件斷口形態(tài)

各組試驗(yàn)件的疲勞壽命見表3。

表3 試驗(yàn)件疲勞壽命

2 DFR值試驗(yàn)測定

2.1 試驗(yàn)DFR值測定方法

試驗(yàn)測定結(jié)構(gòu)DFR值的步驟一般如下[10-14]。

1)大量試驗(yàn)和資料總結(jié)得出,結(jié)構(gòu)疲勞壽命N是服從雙參數(shù)威布爾(Weibull)分布的,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

F(N)=1-exp[-(N/β)α]

(1)

式中:β為特征壽命;α為雙參數(shù)威布爾分布的形狀參數(shù);N為結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

2)計(jì)算特征壽命β

為了保證試驗(yàn)的可靠性,一般應(yīng)不少于5件試驗(yàn)件,假設(shè)有n件有效試驗(yàn)件,則特征壽命可由表達(dá)式(2)得出:

(2)

式中:n為有效試件個(gè)數(shù);α為Weibull分布函數(shù)的形狀參數(shù),對于鋁合金材料,美國波音公司在統(tǒng)計(jì)了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,得出α=4;Ni是第i件試驗(yàn)件的疲勞壽命。

3)計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠性壽命

結(jié)構(gòu)可靠性壽命N95/95表示在規(guī)定的可靠度(95%)和置信度(95%)下,修正了試件和實(shí)際結(jié)構(gòu)差異之后的壽命值。

(3)

SR=[ln(1/R)]-1/α

(4)

式中:ST表示試樣系數(shù),等幅載荷下試件ST=1.3;SR表示可靠度系數(shù),R表示95%的可靠度,α為形狀系數(shù)取4,計(jì)算得SR=2.1;SC表示置信度系數(shù),與有效試件數(shù)量n有關(guān)。

4)單點(diǎn)法求解細(xì)節(jié)額定強(qiáng)度DFR值

(5)

式中:X=S(5-lgN95/95),S為S-N曲線的斜度參數(shù);σm0為等壽命曲線中應(yīng)力幅為0時(shí)對應(yīng)的破壞應(yīng)力。對于鋁合金材料S=2,σm0=310MPa。

2.2 試驗(yàn)DFR值結(jié)果

根據(jù)上述方法計(jì)算得到試驗(yàn)DFR值見表4 。

表4 試驗(yàn)DFR值結(jié)果

根據(jù)表4可以得出:鉚接平頭連接方式結(jié)構(gòu)特征壽命、可靠性壽命和DFR值均較大。鉚接沉頭試驗(yàn)件由于沉頭劃窩導(dǎo)致孔邊應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴(yán)重,其結(jié)構(gòu)疲勞性能下降了約22%。

3 DFR值理論計(jì)算

3.1 理論DFR值計(jì)算方法

理論計(jì)算結(jié)構(gòu)DFR值一般步驟如下[1]。

1) 計(jì)算載荷傳遞系數(shù)ψ,對于鉚接雙剪結(jié)構(gòu)(被插入件)

(6)

式中:R1為端部一排危險(xiǎn)緊固件載荷之和;S′為端部一排危險(xiǎn)緊固件的間距;d為端部一排緊固件的平均直徑;t為端部一排危險(xiǎn)緊固件處的板厚度;P為總載荷。

2) 確定結(jié)構(gòu)DFR基準(zhǔn)值,對于鋁合金

DFR,base=121×1×ψ

(7)

3) 確定各理論修正系數(shù)

孔填充系數(shù)A、合金和表面處理系數(shù)B、埋頭深度系數(shù)C、材料疊層系數(shù)D、螺栓夾緊系數(shù)E、凸臺有效系數(shù)U、細(xì)節(jié)額定系數(shù)RC,以上參數(shù)均只與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)。

4) 計(jì)算結(jié)構(gòu)DFR許用值

DFR=DFR,base·A·B·C·D·E·U·RC

(8)

3.2 釘傳載荷計(jì)算

為了得到雙剪搭接結(jié)構(gòu)中載荷釘傳載荷的大小,本文利用ABAQUS軟件建立模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

為模擬試驗(yàn)加載邊界條件,在一邊固支約束,另一邊放開載荷方向位移并施加10 000 N載荷進(jìn)行靜力計(jì)算。試驗(yàn)件各結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證較好,網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格模型

分別計(jì)算兩種帶板厚度下緊固件載荷的結(jié)果見表5。

表5 一排危險(xiǎn)緊固件載荷

3.3 結(jié)果分析

1)結(jié)構(gòu)DFR許用值計(jì)算

a)根據(jù)仿真計(jì)算釘傳載荷,計(jì)算載荷傳遞系數(shù)進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)DFR基準(zhǔn)值,計(jì)算結(jié)果:載荷傳遞系數(shù)分別為0.771和0.728,DFR基準(zhǔn)值分別為93.29MPa和88.03MPa。

b)確定各理論修正系數(shù)并計(jì)算結(jié)構(gòu)DFR許用值

對于2A12鋁合金板材修正系數(shù)見表6,其中沉頭結(jié)構(gòu)埋頭深度系數(shù)對應(yīng)兩種板厚。

表6 修正系數(shù)

結(jié)構(gòu)DFR許用值如表7。

表7 理論DFR值結(jié)果

2)試驗(yàn)與仿真對比分析

試驗(yàn)和仿真計(jì)算DFR值結(jié)果見表8。

表8 試驗(yàn)DFR與理論DFR值對比

將理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,從表8可以發(fā)現(xiàn)最大相對偏差為4.24%,平均相對偏差為2.10%,這個(gè)結(jié)果可以接受,驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的可靠性,為雙剪搭接結(jié)構(gòu)DFR值測定提供了參考。

3.4 帶板厚度對兩種連接方式疲勞性能影響

根據(jù)上述理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,可以得知有限元結(jié)合理論方法誤差小,所以計(jì)算其他板厚下結(jié)構(gòu)DFR值,進(jìn)而研究板厚對兩種連接方式疲勞性能的影響。

計(jì)算得到了以下5個(gè)厚度下兩種連接方式結(jié)構(gòu)DFR值,如表9所示。

表9 不同帶板厚度DFR值

從表9中可以得出,對于平頭結(jié)構(gòu),帶板厚度增加,結(jié)構(gòu)DFR值有所下降;對于沉頭結(jié)構(gòu),在帶板厚度和埋頭深度與帶板厚度比值同時(shí)作用下,沉頭結(jié)構(gòu)DFR值在1.5～2.0mm板厚下相對較大,帶板厚度太大或太小均會降低結(jié)構(gòu)DFR值。此數(shù)據(jù)為進(jìn)一步工作提供了參考依據(jù)。

4 結(jié)語

1)針對機(jī)身蒙皮雙剪搭接結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行了不同厚度下連接方式的疲勞試驗(yàn),可以得知,沉頭導(dǎo)致結(jié)構(gòu)DFR值降低了約22%。

2)針對機(jī)身蒙皮雙剪搭接結(jié)構(gòu),分別采用試驗(yàn)測定和理論計(jì)算兩種方法確定結(jié)構(gòu)DFR值,兩種方法測定DFR值結(jié)果平均誤差為2.10%,誤差較小,驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性,為蒙皮雙剪搭接結(jié)構(gòu)DFR測定提供了參考依據(jù)。

3)帶板厚度增加,平頭結(jié)構(gòu)DFR值逐漸下降;對于沉頭結(jié)構(gòu),帶板厚度在1.5～2.0mm 時(shí), DFR值較大,帶板厚度太大或太小均會降低結(jié)構(gòu)DFR值。