劉　存，趙謀周

(中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

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加筋壁板面內(nèi)剪切試驗(yàn)方法分析及試驗(yàn)研究

劉存，趙謀周

(中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

摘要：本文討論了加筋壁板面內(nèi)剪切試驗(yàn)方法，分析了常見試驗(yàn)件設(shè)計(jì)形式及其對(duì)結(jié)果的影響。選用典型參數(shù)的加筋壁板，對(duì)不同細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所述方法可以很好地解決加筋壁板面內(nèi)剪切試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：加筋壁板；面內(nèi)剪切；試驗(yàn)方法；設(shè)計(jì)

1引言

在大、中型軍民用運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，廣泛采用了加筋壁板的結(jié)構(gòu)形式。加筋壁板剪切許用值的確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和難點(diǎn)之一，加筋壁板剪切許用值是通過試驗(yàn)方法來確定的。Zimmermann[1]提及了屈曲試驗(yàn)的邊界條件問題，涉及試驗(yàn)件、夾具設(shè)計(jì)、試驗(yàn)裝置安裝等問題。馮宇[2]進(jìn)行了復(fù)合材料加筋板剪切試驗(yàn)，研究加筋板的屈曲特性。劉志強(qiáng)[3]基于有限元模擬設(shè)計(jì)了滿足純剪切工況的夾具，從釘載角度實(shí)現(xiàn)加筋壁板純剪切加載。吳存利[4]對(duì)波紋板剪切試驗(yàn)件構(gòu)型、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并對(duì)屈曲載荷計(jì)算值修正展開了初步探索。涂睿[5]基于有限元模擬了加筋層合板剪切性能試驗(yàn)，分析試驗(yàn)件過渡段和夾具剛度參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。付新衛(wèi)[6]等研究了夾持條件對(duì)加筋板剪切屈曲性能的影響。相關(guān)壁板面內(nèi)剪切試驗(yàn)均采用對(duì)角拉伸方法，影響試驗(yàn)結(jié)果的因素主要集中在試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)、夾具與試驗(yàn)件連接設(shè)計(jì)、試驗(yàn)件設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，本文研究試驗(yàn)件缺口細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

隨著有限元分析軟件功能日益強(qiáng)大，借助有限元模擬是提高試驗(yàn)設(shè)計(jì)精度的有效途徑。本文對(duì)加筋壁板試驗(yàn)件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)展開分析，并通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性，為工程應(yīng)用提供借鑒和參考。

2加筋壁板面內(nèi)剪切試驗(yàn)方法分析

2.1試驗(yàn)原理

此處剪切試驗(yàn)是指加筋壁板面內(nèi)靜態(tài)剪切試驗(yàn)，通過在對(duì)角方向施加拉伸載荷實(shí)現(xiàn)。由材料強(qiáng)度理論，剪切載荷可分為拉伸和壓縮兩個(gè)對(duì)角分量，壓縮載荷將導(dǎo)致蒙皮發(fā)生屈曲[7]。用于完成剪切試驗(yàn)的壁板試樣如圖1所示。

圖1　剪切試驗(yàn)壁板試樣

文獻(xiàn)[7]提到，剪切試驗(yàn)壁板試樣設(shè)計(jì)應(yīng)遵循剪切試驗(yàn)通過在對(duì)角線方向施加拉伸載荷完成，壁板邊緣蒙皮厚度應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)以避免蒙皮凈截面發(fā)生剪切破壞，壁板邊緣的剪應(yīng)力均勻分布等原則。

可見，確保剪應(yīng)力分布均勻和避免發(fā)生提前破壞是試驗(yàn)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.2試驗(yàn)實(shí)施裝置

在進(jìn)行壁板剪切試驗(yàn)中，通常要將加筋板用夾具固定，通過夾具的夾板將載荷傳遞到試驗(yàn)件的連接區(qū)上，使加筋板四邊承受均勻的剪切載荷。在剪切載荷的作用下，考核區(qū)蒙皮將發(fā)生屈曲，最終導(dǎo)致加筋壁板破壞。四對(duì)夾板通常用配鉆的方式采用螺栓連接固定在試驗(yàn)件四邊的連接區(qū)上，夾板通過銷釘在頂端鉸接。其中，螺栓根據(jù)試驗(yàn)載荷的大小采用雙排或單排沿連接區(qū)長度方向均勻分布。

為了滿足剪切試驗(yàn)的加載要求，設(shè)計(jì)了專門的加載裝置，該裝置使試驗(yàn)件、作動(dòng)筒和加載框架在面內(nèi)形成一個(gè)自身平衡的承力系統(tǒng)。通過試驗(yàn)件對(duì)角拉伸實(shí)現(xiàn)剪切載荷施加在壁板中面內(nèi)。試驗(yàn)過程中逐級(jí)測(cè)量應(yīng)變，其目的在于消除安裝間隙、查看線性度和對(duì)稱性。整體安裝圖如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)件安裝圖

2.3試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

加筋壁板剪切試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)通常取一倍肋距作為長度。為保證純剪切，寬度與長度相等。在此寬度范圍內(nèi)，根據(jù)飛機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)長桁間距布置長桁的個(gè)數(shù)，但至少兩根長桁，以便保證考核區(qū)的受力狀態(tài)。同時(shí)要考慮到結(jié)構(gòu)形式、材料、加工工藝、表面處理等因素。試驗(yàn)件外形尺寸的選取要包含試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)所有考核細(xì)節(jié)，同時(shí)兼顧試驗(yàn)設(shè)備能力。

壁板面內(nèi)剪切試驗(yàn)件設(shè)計(jì)時(shí)，為保證施加載荷通過試驗(yàn)件形心，達(dá)到面內(nèi)剪切的試驗(yàn)效果，連接區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)要確保其形心與試驗(yàn)件考核區(qū)蒙皮的形心在同一平面內(nèi)，這樣可以避免試驗(yàn)件產(chǎn)生附加彎矩。這一影響可以通過考核區(qū)正反兩面背對(duì)背的應(yīng)變測(cè)量來檢驗(yàn)。連接區(qū)的厚度通常要取考核區(qū)蒙皮厚度的3倍以上，盡量避免連接區(qū)變形對(duì)考核區(qū)剪應(yīng)力分布及試驗(yàn)件屈曲特性的影響量。

文中試驗(yàn)件材料選用7150-T7751，其基本力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量E=73700MPa，屈服應(yīng)力σ0.2=524MPa，極限強(qiáng)度σb=565MPa，泊松比μ=0.33。試驗(yàn)件剖面如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)件剖面圖

具體剖面參數(shù)見表1。其中，t為長桁腹板厚度，t1和b分為長桁自由凸緣的厚度和寬度，t2和b1分別為長桁底邊凸緣的厚度和寬度，h為長桁高度，R為倒圓半徑。

表1　試驗(yàn)件的剖面參數(shù)

剪切試驗(yàn)件長寬皆為700mm，試驗(yàn)段四周伸出連接區(qū)用于與試驗(yàn)夾板相連，連接區(qū)厚度為10.5mm，寬度為150mm。為保證連接和加載需求，試驗(yàn)件連接區(qū)交界處需保留一定缺口，常見缺口典型結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

(a)缺口形式Ⅰ

(b)缺口形式Ⅱ

(c)缺口形式Ⅲ圖4 　剪切試驗(yàn)件缺口形式結(jié)構(gòu)圖

2.4影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素

影響剪切試驗(yàn)件設(shè)計(jì)的因素包括夾具設(shè)計(jì)和試驗(yàn)件缺口細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)兩方面。本文分析影響試驗(yàn)因素主要針對(duì)試驗(yàn)件本體，暫不涉及夾具。

3加筋壁板缺口設(shè)計(jì)影響分析

針對(duì)相同參數(shù)試驗(yàn)件3種不同的缺口設(shè)計(jì)，建立有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析，從考核區(qū)剪應(yīng)力分布及缺口應(yīng)力集中嚴(yán)重程度兩方面對(duì)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出結(jié)論。運(yùn)用MSC.PATRAN建立試驗(yàn)件有限元模型，單元選取彎曲板元(CQUAD4)，采用剛體元模擬夾具與試驗(yàn)件連接，通過邊界約束和加載實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件的對(duì)角拉伸。對(duì)3類試驗(yàn)件有限元分析采用相同的建模方法、同一載荷、相同的邊界條件。

采用MD/NASTRAN軟件R3版本SOL101進(jìn)行線性靜力分析，施加900kN的設(shè)計(jì)載荷。剪切試驗(yàn)件Ⅰ剪應(yīng)力云圖如圖5所示，云圖結(jié)果表明，缺口區(qū)附近出現(xiàn)奇異應(yīng)力的分布特征，該處剪應(yīng)力值最大，其最大值為472MPa。有限元分析其Von mises等效應(yīng)力云圖如圖6所示，可見，直角角區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)，角區(qū)尖端是應(yīng)力集中程度最大區(qū)域，也是最危險(xiǎn)區(qū)域。該區(qū)域等效應(yīng)力最大值為1300MPa，遠(yuǎn)高于考核部位應(yīng)力水平，試驗(yàn)過程中將導(dǎo)致試驗(yàn)件在此處發(fā)生提前失效，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

圖5　試驗(yàn)件Ⅰ剪應(yīng)力云圖

圖6　試驗(yàn)件ⅠVon mises應(yīng)力云圖

剪切試驗(yàn)件Ⅱ剪應(yīng)力云圖如圖7所示，可見考核區(qū)剪應(yīng)力分布較均勻，剪應(yīng)力值變化不大。其Von mises等效應(yīng)力云圖如圖8所示，最大值約620MPa。

圖7　試驗(yàn)件Ⅱ剪應(yīng)力云圖

圖8　試驗(yàn)件ⅡVon mises應(yīng)力云圖

剪切試驗(yàn)件Ⅲ剪應(yīng)力云圖如圖9所示，可見，與試驗(yàn)件Ⅰ相比，考核區(qū)剪應(yīng)力分布情況得到較大改善。其Von mises等效應(yīng)力云圖如圖10所示，最大值約940MPa，與試驗(yàn)件Ⅰ相比，應(yīng)力集中程度有所降低。

圖9　試驗(yàn)件Ⅲ剪應(yīng)力云圖

圖10　試驗(yàn)件ⅢVon mises應(yīng)力云圖

通過有限元分析3類剪切試驗(yàn)件結(jié)果表明，不同的缺口細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)在考核區(qū)均能得到均勻的剪力場(chǎng)，但缺口處的應(yīng)力嚴(yán)重程度卻存在很大差異。為了達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康暮痛_保試驗(yàn)安全，必須考慮缺口細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。通過分析可知，試驗(yàn)件Ⅱ的設(shè)計(jì)最好，可有效降低應(yīng)力峰值和減輕應(yīng)力集中程度。

4加筋壁板缺口設(shè)計(jì)影響試驗(yàn)研究

在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究試驗(yàn)件缺口設(shè)計(jì)帶來的影響，開展了同一參數(shù)兩種缺口形式Ⅰ、Ⅱ的壁板剪切試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的正確性及與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

對(duì)缺口形式Ⅰ而言，試驗(yàn)件加載到設(shè)計(jì)載荷的67.7%(610kN)時(shí)，試驗(yàn)件從缺口區(qū)發(fā)生破壞，導(dǎo)致試驗(yàn)出現(xiàn)異常破壞，未達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。破壞形貌如圖11所示，試驗(yàn)段出現(xiàn)兩條主裂紋，橫穿整個(gè)試驗(yàn)件寬度截面，兩條裂紋分別起始于水平兩角，其中一條在加強(qiáng)邊附近擴(kuò)展方向轉(zhuǎn)成平行于加強(qiáng)邊，4根長桁全部撕裂，其中第二根完全與蒙皮脫離。

圖11　試驗(yàn)件Ⅰ破壞形貌

對(duì)缺口形式Ⅱ而言，試驗(yàn)件隨著載荷的增加先發(fā)生屈曲，直至加載到1508kN時(shí)試驗(yàn)件考核部位發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)果正常。破壞形貌如圖12所示，試驗(yàn)件蒙皮上出現(xiàn)屈曲波，破壞時(shí)四條長桁全部撕裂并與蒙皮脫離，蒙皮橫向裂開，橫穿對(duì)角方向。

圖12　試驗(yàn)件Ⅱ破壞形貌

屈曲載荷由各試驗(yàn)件測(cè)量點(diǎn)的載荷-應(yīng)變曲線確定，當(dāng)試驗(yàn)件測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)折或開始下降時(shí)，則認(rèn)為試驗(yàn)件屈曲，此時(shí)的載荷為屈曲載荷。如果測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變無轉(zhuǎn)折發(fā)生，則取破壞載荷為屈曲載荷。其中，試驗(yàn)件Ⅰ、Ⅱ中心點(diǎn)背對(duì)背受壓應(yīng)變片的載荷-應(yīng)變曲線如圖13所示。其中，point1為試驗(yàn)件帶長桁側(cè)面中心點(diǎn)受壓縮的應(yīng)變片，point2為試驗(yàn)件蒙皮側(cè)面中心點(diǎn)受壓縮的應(yīng)變片，point1和point2關(guān)于蒙皮厚度方向中面對(duì)稱?？梢?，試驗(yàn)件Ⅰ中心點(diǎn)無明顯的屈曲過程，試驗(yàn)件Ⅱ中心點(diǎn)隨著載荷的增加首先發(fā)生屈曲，隨后進(jìn)入后屈曲直至破壞。其載荷-應(yīng)變曲線在試驗(yàn)件屈曲之前為直線，屈曲之后為曲線，此時(shí)結(jié)構(gòu)屈曲載荷小于破壞載荷?？梢姡瑢?duì)于試驗(yàn)件Ⅱ，結(jié)構(gòu)屈曲并不意味著結(jié)構(gòu)破壞。

圖13　試驗(yàn)件Ⅰ、Ⅱ中心點(diǎn)屈曲載荷-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)件Ⅰ和試驗(yàn)件Ⅱ的載荷-剪應(yīng)變曲線如

圖14所示， 可見， 試驗(yàn)件Ⅱ的破壞載荷約為試驗(yàn)件Ⅰ的2.47倍。

圖14　試驗(yàn)件Ⅰ、Ⅱ中心點(diǎn)載荷-剪應(yīng)變曲線

5結(jié)論

通過有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用對(duì)角拉伸法的壁板剪切試驗(yàn)方法在考核區(qū)存在著均勻的剪應(yīng)力場(chǎng)，合理的試驗(yàn)件設(shè)計(jì)，可以改善試驗(yàn)件應(yīng)力分布，取得理想的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)壁板剪切試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

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[收稿日期]2016-03-15

[作者簡(jiǎn)介]劉存(1984-)，男，漢族，碩士，工程師，研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：TH123+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.003

Analysis and Experimental Research on Test Method for In-Plane Shear of Stiffened Panel

Liu Cun, Zhao Mouzhou

(AVIC the First Aircraft Institute, Xi′an 710089, Shaanxi, China)

Abstract：In this paper, the test method for in-shear of stiffened panel is discussed. The common design form of the specimen and the influence of common design form on the result are analyzed. The stiffened panel with typical parameters is used to study the different design details. The test results show that the method described in this paper can well solve the problems which may occur in the process of in-plane shear test of stiffened panel.

Keywords:stiffened panel; in-plane shear; test method; design