奚 蔚 沈培良上海飛機設(shè)計研究院強度設(shè)計研究部奚蔚(1986-)男,博士,工程師,主要研究方向為疲勞與斷裂、隨機有限元;沈培良(1980-)男,高級工程師,主要研究方向為疲勞與斷裂。
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機身壁板疲勞試驗件過渡區(qū)設(shè)計
奚 蔚 沈培良
上海飛機設(shè)計研究院強度設(shè)計研究部
奚蔚(1986-)男,博士,工程師,主要研究方向為疲勞與斷裂、隨機有限元;沈培良(1980-)男,高級工程師,主要研究方向為疲勞與斷裂。
本文針對機身壁板環(huán)向?qū)悠谠囼灱^渡區(qū)的設(shè)計問題,提出的觀點在航空結(jié)構(gòu)疲勞試驗領(lǐng)域起到作用。
如付諸現(xiàn)實將產(chǎn)生相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益,每件試驗件可節(jié)省設(shè)計、制造和試驗等費用大約50萬元。
點評人:施劍瑋,上海飛機設(shè)計研究院強度部高級工程師,研究方向為結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂。
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評估值230萬
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行業(yè)曲線
industry
本文對機身壁板環(huán)向?qū)悠谠囼灱膫髁μ攸c進(jìn)行了分析,設(shè)計了三種含不同過渡區(qū)的試驗件,分別計算了它們過渡區(qū)危險細(xì)節(jié)處的疲勞壽命,并進(jìn)行了對比,結(jié)果表明過渡區(qū)采用指形變厚度墊板試驗件的載荷傳遞更加緩和,長桁和蒙皮的工作應(yīng)力較均勻,過渡區(qū)與考核區(qū)最短壽命之比更高,更能滿足疲勞試驗件設(shè)計技術(shù)要求。
飛機結(jié)構(gòu)的疲勞性能需要用試驗進(jìn)行驗證,疲勞試驗驗證通常采用積木式方法,按試驗的復(fù)雜度,將試驗分成試件級、元件級、子部件級、部件級和全尺寸級。機身壁板環(huán)向?qū)悠谠囼灱儆谧硬考?,其試驗件?shù)量在十個左右,單個試件造價高,后續(xù)疲勞試驗費用昂貴。疲勞試驗件通常包括考核區(qū)、過渡區(qū)和加載區(qū),并要求過渡區(qū)和加載區(qū)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于考核區(qū)的壽命,通常在三倍以上。如果不能滿足該要求,由于疲勞壽命具有較大的分散性,試驗過程中可能出現(xiàn)過渡區(qū)較考核區(qū)先出現(xiàn)裂紋的情況,試驗件將無法取得有效壽命數(shù)據(jù),帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。
本文通過對機身壁板環(huán)向?qū)悠谠囼灱髁μ匦缘难芯?,設(shè)計了三種含不同過渡區(qū)的試驗件,對試驗件過渡區(qū)的疲勞壽命進(jìn)行了計算和對比,結(jié)果表明過渡區(qū)采用指形變厚度墊板可以充分滿足考核區(qū)過渡區(qū)疲勞壽命之間的倍數(shù)要求,達(dá)到試驗件設(shè)計技術(shù)要求。
典型試驗件形式如圖1所示。在機身壁板環(huán)向?qū)訁^(qū)域,即考核區(qū),左右兩側(cè)長桁通過長桁接頭連接,蒙皮通過對接帶板連接。加載區(qū)用于連接加載設(shè)施。過渡區(qū)用于將加載區(qū)的載荷均勻傳遞到考核區(qū),使考核區(qū)應(yīng)力分布情況與實際情況盡可能相同。由于機身壁板長桁多采用擠壓型材,其截面形狀在整個長度范圍內(nèi)相同,無法通過加大過渡區(qū)長桁截面尺寸的方式,降低過渡區(qū)內(nèi)長桁工作應(yīng)力,提高疲勞壽命。同時,蒙皮由于加工工藝限制,其在過渡區(qū)內(nèi)的截面尺寸與考核區(qū)的相比也無法改變。出于前述原因,只能通過改變過渡區(qū)的傳力特性,使力的傳遞更加緩和,各元件傳力更加均勻,同時改善疲勞薄弱位置的細(xì)節(jié)設(shè)計,來提高過渡區(qū)疲勞危險細(xì)節(jié)的壽命。
本文設(shè)計了三種過渡區(qū)形式,對它們疲勞危險細(xì)節(jié)的壽命進(jìn)行了分析對比。
過渡區(qū)形式如圖2所示。過渡區(qū)采用機加接頭,接頭下方有兩層墊板。載荷加在墊板和蒙皮上,墊板上載荷大部分向接頭傳遞,再傳至長桁。考核區(qū)中,長桁接頭立邊和長桁立邊連接端部緊固件處(見圖1)是疲勞危險細(xì)節(jié)。過渡區(qū)中,紅色圓圈標(biāo)記緊固件處的長桁是危險細(xì)節(jié)。它們壽命之間的
圖1 疲勞試驗件示意圖
point對比見表1,其中σbr代表孔邊擠壓應(yīng)力,σg代表工作應(yīng)力,ψ代表載荷傳遞系數(shù),DFR代表細(xì)節(jié)疲勞額定值,N95/95代表具有95%可靠度和95%置信度的壽命,每個參數(shù)的具體計算方法見文獻(xiàn)。
圖2 采用機加接頭過渡區(qū)示意圖
圖3 采用兩層大面積墊板過渡區(qū)示意圖
圖4 采用指形變厚度墊板過渡區(qū)示意圖
表1 考核區(qū)與過渡區(qū)危險細(xì)節(jié)壽命對比
過渡區(qū)采用兩層大面積墊板
過渡區(qū)形式如圖3所示。過渡區(qū)采用兩層大面積墊板,第一層墊板從長桁端頭處繼續(xù)向考核區(qū)延伸10顆緊固件的距離,第二層墊板延伸8顆。過渡區(qū)接頭長度縮短。載荷加在墊板和蒙皮上,墊板上載荷大部分直接向蒙皮傳遞??己藚^(qū)的疲勞危險細(xì)節(jié)不變。過渡區(qū)中橙色圓圈標(biāo)記處是疲勞危險細(xì)節(jié),其中墊板長桁連接處的危險細(xì)節(jié)在長桁上,墊板蒙皮連接處的危險細(xì)節(jié)在蒙皮上。它們壽命之間的對比見表2。
表2 考核區(qū)與過渡區(qū)危險細(xì)節(jié)壽命對比
過渡區(qū)采用指形變厚度墊板
過渡區(qū)形式如圖4所示。過渡區(qū)采用指形變厚度墊板,墊板位于長桁和蒙皮之間。載荷加在墊板和蒙皮上,墊板上載荷直接向長桁和蒙皮傳遞??己藚^(qū)的疲勞危險細(xì)節(jié)不變。過渡區(qū)中紅色圓圈標(biāo)記處是疲勞危險細(xì)節(jié),其中長桁墊板連接處的危險細(xì)節(jié)在長桁上,墊板蒙皮連接處的危險細(xì)節(jié)在蒙皮上。它們壽命之間的對比見表3。
表3 考核區(qū)與過渡區(qū)危險細(xì)節(jié)壽命對比
對過渡區(qū)采用機加接頭的試驗件,墊板上載荷大部分向接頭傳遞,再傳至長桁,長桁立邊和底邊傳遞載荷較多,其中長桁立邊上疲勞危險細(xì)節(jié)壽命較短;
對過渡區(qū)采用兩層大面積墊板的試驗件,墊板上載荷大部分直接向蒙皮傳遞,又因墊板在同一截面位置處終止,剛度變化劇烈,導(dǎo)致該處蒙皮工作應(yīng)力很大,蒙皮上疲勞危險細(xì)節(jié)壽命較短;
對過渡區(qū)采用指形變厚度墊板的試驗件,墊板上載荷直接向長桁和蒙皮傳遞,由于墊板采用了指形和變厚度設(shè)計,往考核區(qū)方向,其剛度逐漸減弱,使得載荷的傳遞更加緩和,長桁底邊和蒙皮的工作應(yīng)力較均勻,其中長桁底邊上疲勞危險細(xì)節(jié)壽命較短;
對比三種過渡區(qū)設(shè)計情況下的過渡區(qū)考核區(qū)最短壽命比,采用指形變厚度墊板試驗件的比值最大,為5.85,遠(yuǎn)高于3倍的設(shè)計要求,效果很好。
10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.040