王艾倫

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

分析方法介紹

氣密地板是民用飛機中機身結(jié)構(gòu)的重要組成部分。地板表面及地板梁結(jié)構(gòu)不僅承受客艙商載和充壓載荷，還承擔(dān)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(jié)構(gòu)時主要還是采用工程查圖表的方法，許多飛機設(shè)計手冊中有各種形狀、各種支承方式和加載方式下的應(yīng)力撓度曲線圖。飛機結(jié)構(gòu)中地板主要受垂直于表面的壓應(yīng)力，在壓載作用下板內(nèi)會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和引起板件中間平面伸長的軸向拉伸應(yīng)力。邊界條件通常是簡支和固支，簡支板的復(fù)合應(yīng)力及撓度均發(fā)生在板中心處，而固支板長邊中點處復(fù)合應(yīng)力為最大。

大多數(shù)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(yīng)力轉(zhuǎn)化為面板自身的膜應(yīng)力。在滿足相同強度要求的條件下，飛機設(shè)計采用曲面地板比采用平面地板可以節(jié)省30%左右的結(jié)構(gòu)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(yīng)力

算例比較

某型飛機中機身氣密地板結(jié)構(gòu)如圖所示，地板結(jié)構(gòu)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(kuò)展次數(shù)

細(xì)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(yīng)方向的平移和彎曲約束。

根據(jù)應(yīng)力云圖顯示可以看到：最大應(yīng)力單元在波紋槽R 區(qū)，兩個波紋槽中間應(yīng)力很小。以波紋槽頂點為原點，建立坐標(biāo)系，將沿裂紋擴(kuò)展方向的應(yīng)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(yīng)力分布模型，W=1251mm，t=1.6mm，B=953.14mm，c=3.18mm。

經(jīng)NASGRO計算后，最終裂紋長度為116.21mm，對應(yīng)的飛行次數(shù)為78433 次，裂紋擴(kuò)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(fù)合應(yīng)力為208.88MPa，裂紋從中心擴(kuò)展至臨界長度時對應(yīng)的飛行次數(shù)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。