朱杰+魏宏艷

摘 要：針對(duì)民機(jī)復(fù)材縱向搭接壁板進(jìn)行了耐久性和損傷容限試驗(yàn)，為驗(yàn)證縱向搭接分析方法提供試驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)，評(píng)定結(jié)構(gòu)承受BVID、VID以及離散源損傷的能力，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：民機(jī)；復(fù)材；搭接；壁板；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V257 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）03-0010-03

Abstract： The durability and damage tolerance tests were carried out for the longitudinal lap panel of civil aircraft， which provided the test basis for verifying the longitudinal lap analysis method and at the same time. The ability of the structure to withstand BVID， VID and discrete source damage was evaluated to verify the residual strength of the structure.

Keywords： civil aircraft； overlay； lap joint； panel； experiment

引言

在總結(jié)以往飛機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和斷裂力學(xué)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，損傷容限高能夠增加飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性，該技術(shù)是70年代中期以飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范形式確定下來的一種新的設(shè)計(jì)和評(píng)定方法[1]。該方法以無損檢驗(yàn)技術(shù)和斷裂韌度的測量技術(shù)為手段，以有初始缺陷或裂紋零構(gòu)件的剩余壽命估算為中心，以斷裂控制為保證[2]。損傷容限要求蒙皮壁板含目視勉強(qiáng)可見沖擊損傷（BVID）時(shí)，蒙皮壁板應(yīng)能承受100%設(shè)計(jì)限制載荷（DUL）；內(nèi)部骨架和桁條含有最大不超過27J的沖擊損傷時(shí)，應(yīng)能承受100%DLL；蒙皮壁板含目視可見沖擊損傷（VID）時(shí)，應(yīng)能承受100% DLL；蒙皮壁板含有像主發(fā)動(dòng)機(jī)破壞后可能遇到的離散源損傷或切斷一根桁條及其相鄰的蒙皮跨時(shí)，蒙皮壁板應(yīng)能承受70%的DLL[3]。

本文引入BVID、VID和離散元損傷進(jìn)行了復(fù)材縱向搭接壁板剩余強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。

1 試件損傷引入

沖擊損傷試驗(yàn)采用直徑Φ16mm半球形沖擊頭，沖擊點(diǎn)位置見圖1和圖2。沖擊點(diǎn)A、A1、B、C和C1位于蒙皮外表面，其中，沖擊點(diǎn)A與A1相對(duì)于2號(hào)框?qū)ΨQ，沖擊點(diǎn)C與C1相對(duì)于4號(hào)框?qū)ΨQ，沖擊點(diǎn)D位于蒙皮內(nèi)側(cè)的帽型長桁上。離散源損傷的引入是在圖2中線段L所示位置，將試驗(yàn)件完全切斷。

2 加載方法

在疲勞試驗(yàn)中，試件上施加等幅載荷，引入BVID和VID后，循環(huán)載荷的客艙壓差包括：循環(huán)載荷的最大壓差；循環(huán)載荷的最小壓差；應(yīng)力比為R=0.06。用于剩余強(qiáng)度試驗(yàn)的客艙壓差為1.15倍最大壓差。

試驗(yàn)加載方式采用充壓載荷。將氣囊與試件粘貼在一起，采用密封膠進(jìn)行密封。用自行研制的充氣系統(tǒng)充氣，氣壓由壓力表觀察壓力傳感器作為氣壓載荷的傳感元件；把壓力傳感器接入MooG-64自動(dòng)協(xié)調(diào)加載設(shè)備。充壓控制精度優(yōu)于1%。充壓的頻率為2次/分鐘～5次/分鐘。

3 損傷容限試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

（1）引入BVID的疲勞試驗(yàn)：首先在預(yù)定位置上對(duì)試驗(yàn)件引入BVID，然后對(duì)試驗(yàn)件施加2倍經(jīng)濟(jì)壽命（180000次飛行循環(huán)）的載荷譜，最后進(jìn)行剩余強(qiáng)度試驗(yàn)；（2）引入VID的疲勞試驗(yàn)：首先在預(yù)定位置上對(duì)試驗(yàn)件引入VID，然后對(duì)試驗(yàn)件施加2倍檢查間隔的載荷譜，最后再做一次剩余強(qiáng)度的靜力試驗(yàn)；（3）離散源損傷試驗(yàn)：對(duì)試驗(yàn)件引入離散源損傷，然后施加一倍最大壓差。

各項(xiàng)損傷容限試驗(yàn)均按以下程序進(jìn)行：（1）30%循環(huán)載荷最大壓差DPmax預(yù)試試驗(yàn)：以每級(jí)10%循環(huán)載荷最大壓差DPmax為級(jí)差加載至30%循環(huán)載荷最大壓差DPmax，然后卸載，并逐級(jí)測量應(yīng)變；（2）100%循環(huán)載荷最大壓差DPmax預(yù)試試驗(yàn)：以每級(jí)10%循環(huán)載荷最大壓差DPmax為級(jí)差加載至50%循環(huán)載荷最大壓差DPmax，再以5%循環(huán)載荷最大壓差DPmax為級(jí)差加載至100%循環(huán)載荷最大壓差DPmax后卸載，并逐級(jí)測量應(yīng)變；（3）疲勞試驗(yàn)：對(duì)試件施加等幅載荷，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)檢查

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，要有“停機(jī)”時(shí)間供質(zhì)量控制，檢查試驗(yàn)件損傷和變形情況。在每次“停機(jī)”檢查時(shí)，由專人對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查。如果檢查到了任何損傷擴(kuò)展或新的損傷，應(yīng)測量、記錄損傷尺寸和擴(kuò)展程度，并進(jìn)行纖細(xì)記錄。在循環(huán)加載結(jié)束之后和剩余強(qiáng)度試驗(yàn)之前，需要確定、測量并記錄試驗(yàn)件的受損程度。為了檢查到BVID、VID的損傷擴(kuò)展程度，所有損傷都要周期性的定時(shí)檢查。檢查的頻率應(yīng)確保能夠獲得足夠的信息來反映損傷擴(kuò)展程度。

試驗(yàn)采用三級(jí)檢查：一級(jí)檢查方法是一般目視檢查輔以無損檢測需要停止試驗(yàn)。在載荷循環(huán)重新開始之前，所有的軸承、緊固件、緊固件孔、試驗(yàn)件和試驗(yàn)夾具的每一個(gè)部位都需要進(jìn)行一般目視檢查；要對(duì)試驗(yàn)件對(duì)接區(qū)、BVID部位、VID部位及試件表面進(jìn)行無損檢測。進(jìn)行檢查時(shí)不能拆卸試驗(yàn)件；二級(jí)檢查方法是詳細(xì)目視檢查時(shí)要停止試驗(yàn)。所有的軸承、緊固件、緊固件孔以及試驗(yàn)件的搭接區(qū)都要進(jìn)行檢查；三級(jí)檢查方法是每2，000次循環(huán)要進(jìn)行一次一般外部目視檢查。檢查時(shí)，試驗(yàn)件留在原來位置（試驗(yàn)臺(tái)上）。試驗(yàn)件和試驗(yàn)夾具的所有易接近部位都要被檢查。

4 試驗(yàn)現(xiàn)象

沖擊損傷引入結(jié)果見表1，損傷容限試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象見表2，試驗(yàn)測試曲線見圖3。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 耐久性與損傷容限試驗(yàn)

試驗(yàn)件在引入BVID后依序通過兩倍壽命耐久性試驗(yàn)及2倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，在兩次1.15倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)過程中引入的損傷未擴(kuò)展且未出現(xiàn)新的損傷，但在2倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)后在4框與5框間第二長桁上發(fā)現(xiàn)一處蒙皮與長桁脫粘損傷，編號(hào)為D1，尺寸為60mm×18mm，見圖4。在引入VID后通過2倍檢查間隔損傷容限試驗(yàn)及1.15倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，原有損傷未擴(kuò)展且未出現(xiàn)新的損傷。

5.2 離散源損傷

損傷形態(tài)見圖5，在隨后的1倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，壓力加到90%壓差時(shí)有較大響聲。試驗(yàn)后進(jìn)行無損檢測，所有損傷未擴(kuò)展且未出現(xiàn)新的損傷。

6 結(jié)論

試驗(yàn)件及夾具安裝、加載系統(tǒng)安裝、測量系統(tǒng)安裝、試驗(yàn)控制系統(tǒng)經(jīng)全面檢查合格，測量和試驗(yàn)設(shè)備經(jīng)檢定/校準(zhǔn)合格，并在使用期限內(nèi)，載荷控制誤差均小于1%。試驗(yàn)過程檢測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)，試驗(yàn)結(jié)果可靠、有效。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)件在引入BVID后依序通過1倍壓差的兩倍壽命耐久性試驗(yàn)及2倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，在兩次1.15倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)過程中引入的損傷未擴(kuò)展且未出現(xiàn)新的損傷，但在2倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)后在4框與5框間第二長桁上發(fā)現(xiàn)一處蒙皮與長桁脫粘損傷，尺寸為60mm×18mm。

（2）試驗(yàn)件在引入VID后通過1倍壓差的2倍檢查間隔損傷容限試驗(yàn)及1.15倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，原有損傷未擴(kuò)展且未出現(xiàn)新的損傷。

（3）試驗(yàn)件在引入離散源損傷后通過1倍壓差的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，離散源損傷與其余損傷均未擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭曉玲.民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[2]趙少汴.損傷容限設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2000（5）：4-7.

[3]沈真，柴亞南，楊勝春，等.機(jī)翼結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的力學(xué)性能要求[J].航空制造技術(shù)，2010（1）：44-48.endprint