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民用飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷容限驗(yàn)證試驗(yàn)方法

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概述

民用飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷容限適航評(píng)定的符合性方法以分析為主，但必須通過(guò)充分的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證分析方法，包括裂紋擴(kuò)展方法和剩余強(qiáng)度分析方法。AC25.571-1D中提供了一些主要結(jié)構(gòu)件（PSE）的實(shí)例，新設(shè)計(jì)的飛機(jī)可選取典型的PSE元件進(jìn)行損傷容限驗(yàn)證試驗(yàn)，例如機(jī)翼壁板、機(jī)身壁板、主要連接接頭等試驗(yàn)項(xiàng)目。由于試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證損傷容限分析方法，為分析和計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持，并非完全驗(yàn)證實(shí)際結(jié)構(gòu)，因此可采取全尺寸試件，也可以采取模擬試件進(jìn)行試驗(yàn)。采用模擬件試驗(yàn)時(shí)，必須充分考慮設(shè)計(jì)構(gòu)型、考核部位選取、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征、典型開(kāi)裂模式、載荷/載荷譜和試驗(yàn)內(nèi)容等來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)件和試驗(yàn)方案。本文以支線(xiàn)客機(jī)機(jī)翼壁板損傷容限試驗(yàn)為例來(lái)說(shuō)明。

試驗(yàn)方案

試驗(yàn)件

首先確定機(jī)翼壁板試驗(yàn)的考核部位。機(jī)翼翼盒的上、下壁板承受飛行載荷時(shí)，上壁板以受壓為主，壓-壓載荷對(duì)損傷容限無(wú)影響；下壁板以受拉為主，為疲勞關(guān)鍵部位，選取機(jī)翼下壁板為驗(yàn)證對(duì)象。蒙皮和長(zhǎng)桁加筋壁板為下壁板典型連接形式，且機(jī)翼展向?yàn)橹饕茌d方向。通過(guò)篩選有限元內(nèi)力和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形式，確定試驗(yàn)考核部位和試驗(yàn)件形式?？刹扇∫韵略瓌t：a）下壁板高應(yīng)力水平部位；b）保證蒙皮和長(zhǎng)桁的加強(qiáng)比Rs；c）蒙皮為平板，長(zhǎng)桁截面尺寸相同。最終選取機(jī)翼下壁板根部靠近后梁處高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行考核，見(jiàn)圖1。

圖1　機(jī)翼下壁板及試驗(yàn)件形式

試驗(yàn)件由5根長(zhǎng)桁和1塊蒙皮組成，蒙皮材料：2324-T39II；長(zhǎng)桁材料：2026-T3511。蒙皮厚度、長(zhǎng)桁截面尺寸及長(zhǎng)桁間距與機(jī)翼下壁板考核部位實(shí)際結(jié)構(gòu)保持一致。試驗(yàn)件形式見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)件由考核段、過(guò)渡段和加持端組成，長(zhǎng)度約為寬度的3倍，考核段應(yīng)足夠長(zhǎng)，以保證裂紋擴(kuò)展區(qū)域的場(chǎng)應(yīng)力分布均勻。過(guò)渡段釘傳載荷較大，同時(shí)考慮出現(xiàn)裂紋后方便修理，緊固件選擇螺栓，并采取雙剪連接形式以提高結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞品質(zhì)，對(duì)過(guò)渡段應(yīng)加強(qiáng)以保證其與考核段和加載端連接處在試驗(yàn)中不會(huì)疲勞破壞。加載端為鋼板，與試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭通過(guò)耳片雙剪連接，見(jiàn)圖2。試驗(yàn)方案確定后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，對(duì)考核段、過(guò)渡段和加載端進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核，以確保試驗(yàn)件強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

開(kāi)裂模式及初始裂紋

根據(jù)《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)》中機(jī)翼典型開(kāi)裂模式，選擇中間長(zhǎng)桁斷裂，蒙皮中心裂紋的開(kāi)裂模式。試驗(yàn)件初始狀態(tài)中間長(zhǎng)桁在對(duì)稱(chēng)面上被切割斷開(kāi)，蒙皮初始裂紋模擬緊固件孔邊裂紋，并將孔和裂紋簡(jiǎn)化為中心穿透裂紋。初始裂紋由預(yù)制切口和初始疲勞裂紋組成，總長(zhǎng)6mm。預(yù)制切口通過(guò)線(xiàn)切割產(chǎn)生，切口總長(zhǎng)4mm。初始疲勞裂紋在試驗(yàn)中施加等幅疲勞載荷形成，切口兩端擴(kuò)展量各1mm，見(jiàn)圖3。等幅載荷一般不大于裂紋擴(kuò)展譜中最大載荷。

圖2　試驗(yàn)件安裝圖

試驗(yàn)內(nèi)容

圖3　預(yù)制裂紋示意圖

試驗(yàn)在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。通過(guò)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)得到裂紋長(zhǎng)度a與載荷循環(huán)次數(shù)N（或飛行起落數(shù)）的基本數(shù)據(jù)，即a-N曲線(xiàn)，并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證裂紋擴(kuò)展分析方法；通過(guò)剩余強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足剩余強(qiáng)度要求值，以驗(yàn)證剩余強(qiáng)度分析方法。

正式試驗(yàn)前進(jìn)行加載調(diào)試，設(shè)置合適的控制系統(tǒng)參數(shù)，并確保加載系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)等正常工作。隨后進(jìn)行預(yù)試，對(duì)考核部位及裂紋擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，分析載荷-應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性、重復(fù)性和對(duì)稱(chēng)性，滿(mǎn)足要求后開(kāi)始正式試驗(yàn)。

裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)從初始疲勞裂紋形成后開(kāi)始，試驗(yàn)載荷譜采用飛-續(xù)-飛隨機(jī)譜模擬真實(shí)載荷環(huán)境，按TWIST方法編制5×5隨機(jī)譜，即一個(gè)譜塊包含5種不同強(qiáng)弱程度的飛行類(lèi)型，每一個(gè)隨機(jī)載荷的使用情況包含5級(jí)載荷。5×5載荷譜中包含大量低應(yīng)力水平、小幅值的載荷循環(huán)，其對(duì)裂紋擴(kuò)展貢獻(xiàn)很小，卻占用很多試驗(yàn)時(shí)間，可通過(guò)裂紋擴(kuò)展壽命的等損傷簡(jiǎn)化對(duì)其刪減。

圖4　試驗(yàn)各階段內(nèi)容示意圖

圖5　試驗(yàn)結(jié)果

裂紋擴(kuò)展到理論臨界裂紋長(zhǎng)度acr時(shí)，停止裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。理論臨界裂紋acr通過(guò)剩余強(qiáng)度分析計(jì)算得到。試驗(yàn)載荷為剩余強(qiáng)度要求載荷（限制載荷），依據(jù)CCAR25.571 b）條確定。試驗(yàn)要求在100％剩余強(qiáng)度載荷下，結(jié)構(gòu)不破壞仍能承載，否則結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足剩余強(qiáng)度要求。通常剩余強(qiáng)度分析是偏保守的，在剩余強(qiáng)度要求載荷下臨界裂紋不會(huì)失穩(wěn)斷裂，為了摸索結(jié)構(gòu)的實(shí)際剩余強(qiáng)度能力，可在理論臨界裂紋長(zhǎng)度下繼續(xù)加載載荷直至結(jié)構(gòu)斷裂破壞，或者讓裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至兩跨（兩倍的桁距）長(zhǎng)度，再施加剩余強(qiáng)度載荷或加大載荷直至結(jié)構(gòu)破壞。本試驗(yàn)中臨界裂紋長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于兩倍跨距，因此選擇后者繼續(xù)試驗(yàn)，并在acr到兩跨之間進(jìn)行了多次剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)比

各階段試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。試驗(yàn)與分析計(jì)算的裂紋擴(kuò)展曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖6，分析計(jì)算使用NASGRO軟件，材料參數(shù)取自NASGRO軟件的材料庫(kù)，應(yīng)力強(qiáng)度因子K通過(guò)有限元計(jì)算得到。由圖6可以看出，分析計(jì)算的裂紋擴(kuò)展速率da/dN明顯大于試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)的裂紋擴(kuò)展壽命大于分析計(jì)算值，裂紋擴(kuò)展的分析方法是偏保守的。同時(shí)，在臨界裂紋長(zhǎng)度下施加剩余強(qiáng)度載荷后結(jié)構(gòu)仍能承載，直至裂紋擴(kuò)展到兩跨時(shí)加載到160％剩余強(qiáng)度載荷時(shí)結(jié)構(gòu)才斷裂破壞。因而結(jié)構(gòu)的實(shí)際剩余強(qiáng)度能力遠(yuǎn)大于分析計(jì)算值，剩余強(qiáng)度分析也是偏保守的。

結(jié)語(yǔ)

以驗(yàn)證分析方法為目的的損傷容限試驗(yàn)，在試驗(yàn)件設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際構(gòu)型和受載特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并考慮典型的開(kāi)裂模式確定初始裂紋。代表實(shí)際服役載荷環(huán)境的試驗(yàn)載荷譜可適當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。最后，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證分析方法是保守的、可靠的。

圖6　試驗(yàn)與計(jì)算的a-N曲線(xiàn)

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.008