李寶珠 朱高尚 何彧 王慧梅 陳海波

機(jī)身普通框連接結(jié)構(gòu)疲勞分析方法

李寶珠 朱高尚 何彧 王慧梅 陳海波

（中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710089）

將某機(jī)型機(jī)身等直段試驗(yàn)件普通框連接結(jié)構(gòu)疲勞總體有限元模型分析結(jié)果與局部細(xì)節(jié)有限元模型中對(duì)應(yīng)區(qū)域分析結(jié)果相結(jié)合，獲取一系列修正系數(shù)，提出一種快速精確獲取機(jī)身等直段試驗(yàn)件所有普通框結(jié)構(gòu)疲勞薄弱區(qū)域應(yīng)力及釘載分布的方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行疲勞壽命分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。該方法分析效率高，能較好滿(mǎn)足多輪次尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

等直段試驗(yàn)；普通框；釘載；疲勞

0 引言

普通框結(jié)構(gòu)是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)元件，用于維持機(jī)身剖面形狀，對(duì)機(jī)身蒙皮提供彈性支持[1-2]，為確保飛機(jī)使用安全，按照適航規(guī)章要求，需對(duì)普通框結(jié)構(gòu)進(jìn)行有試驗(yàn)依據(jù)的疲勞強(qiáng)度分析[3]。在鉚釘連接部位，由于形狀的突變引發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大，緊固件孔邊疲勞破壞是結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一[4-5]，因此普通框連接結(jié)構(gòu)為疲勞重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

普通框連接結(jié)構(gòu)的連接型式有兩類(lèi)：第一類(lèi)為框各段之間的對(duì)接，其連接關(guān)系簡(jiǎn)單，可通過(guò)工程手冊(cè)[6]快速獲取釘載分布情況，分析方法較為成熟；第二類(lèi)為普通框與角片的連接，連接關(guān)系較為復(fù)雜，影響釘載分布的力素較多，如何快速精確獲取釘載分布，是這類(lèi)連接結(jié)構(gòu)疲勞分析的關(guān)鍵。對(duì)于第二類(lèi)連接結(jié)構(gòu)，進(jìn)行疲勞分析的常用方法有兩種：第一種，依據(jù)疲勞總體有限元模型獲取疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)參考應(yīng)力；對(duì)連接關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)工程手冊(cè)確定釘載分布，該方法分析速度快，但精度不高，適用于方案論證階段支持結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型，無(wú)法為工程研制階段尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。第二種，針對(duì)每個(gè)普通框，建立細(xì)節(jié)有限元模型，獲取疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)參考應(yīng)力及釘載，該方法計(jì)算精度高，但需要耗費(fèi)大量時(shí)間精力，很難滿(mǎn)足飛機(jī)型號(hào)研制周期要求。

針對(duì)普通框與角片連接結(jié)構(gòu)（第二類(lèi)連接結(jié)構(gòu)）疲勞分析存在的問(wèn)題，本文提出一種改進(jìn)的疲勞分析方法。首先，依據(jù)某機(jī)型機(jī)身等直段試驗(yàn)件疲勞總體有限元模型分析結(jié)果，確定普通框連接結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位。然后，任選一普通框，建立疲勞薄弱部位細(xì)節(jié)有限元模型，將其嵌入疲勞總體有限元模型進(jìn)行分析，獲取疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及釘載分布，再結(jié)合原總體有限元模型中對(duì)應(yīng)區(qū)域有限元單元力素，獲取一系列修正系數(shù)，提出一種快速精確獲取機(jī)身等直段試驗(yàn)件考核區(qū)所有普通框疲勞薄弱區(qū)域應(yīng)力及釘載分布的方法。最后，進(jìn)行疲勞壽命分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，吻合較好。該方法分析效率高，能較好滿(mǎn)足型號(hào)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)多輪次尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

1 框連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析方法

考慮框連接結(jié)構(gòu)受載特點(diǎn)，采用受拉有釘載結(jié)構(gòu)DFR（Detail Fatigue Rating）法[6]進(jìn)行疲勞壽命分析。

1.1 DFR值計(jì)算

受拉有釘載結(jié)構(gòu)DFR值計(jì)算見(jiàn)式（1）～式（3）

1.2 壽命分析

疲勞可靠壽命計(jì)算見(jiàn)式（4）～式（5）

2 等直段框連接結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

2.1 試驗(yàn)件及其載荷

某型機(jī)機(jī)身等直段試驗(yàn)件包括12個(gè)框位（考核區(qū)在22框和28框之間），試驗(yàn)件長(zhǎng)約7m，壁板在27框處進(jìn)行環(huán)向?qū)樱囼?yàn)時(shí)在其前后兩端分別安裝密封端框（用于加載及約束），見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)件內(nèi)部施加增壓載荷(40kPa)，通過(guò)加載端耳片施加剪力及彎矩，試驗(yàn)應(yīng)力比=0.03，試驗(yàn)循環(huán)一次代表一次飛行起落。

2.2 疲勞薄弱部位確定

圖2 試驗(yàn)件總體有限元模型示意圖

圖3 框結(jié)構(gòu)總體有限元模型示意圖

圖4 機(jī)身剖面變形前后示意圖

將24框處應(yīng)力分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5（橫坐標(biāo)為長(zhǎng)桁號(hào)N，1號(hào)長(zhǎng)桁位于機(jī)身最底部；縱坐標(biāo)為環(huán)向應(yīng)力）?？梢钥闯?，1）內(nèi)緣條環(huán)向?qū)崪y(cè)應(yīng)力（依據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)變計(jì)算獲得）分布趨勢(shì)與總體有限元模型中內(nèi)緣條桿單元（見(jiàn)圖3）應(yīng)力分布趨勢(shì)吻合較好；2）在13長(zhǎng)桁附近內(nèi)緣條應(yīng)力水平最高，為疲勞薄弱部位，由于內(nèi)緣條一端為自由邊會(huì)發(fā)生扭曲變形，因此實(shí)測(cè)應(yīng)力明顯低于總體有限元模型內(nèi)緣條分析結(jié)果。

對(duì)疲勞薄弱部位（13長(zhǎng)桁處框與角片連接區(qū)）進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。緊固件孔是典型的應(yīng)力集中部位和疲勞源[7]，因此選取兩個(gè)疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)：1）B點(diǎn)，框腹板外側(cè)與角片連接孔；2）C點(diǎn)，框腹板內(nèi)側(cè)與角片連接孔。見(jiàn)圖6所示。

圖6 疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)示意圖

2.3 細(xì)節(jié)模型分析

2.3.1細(xì)節(jié)模型建立

高周疲勞壽命對(duì)應(yīng)力變化的敏感度相當(dāng)高，因此，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估，應(yīng)該有滿(mǎn)足精度要求的應(yīng)力分析結(jié)果[5]。由于總體有限元模型中，一般無(wú)框細(xì)節(jié)特征（見(jiàn)圖3），無(wú)法精確獲取該區(qū)域應(yīng)力及釘載分布，考慮到框結(jié)構(gòu)及受載型式類(lèi)似，任選一個(gè)框（選取24框）建立13長(zhǎng)桁區(qū)域細(xì)節(jié)有限元模型（見(jiàn)圖7），將其嵌入總體有限元模型進(jìn)行分析。其中：結(jié)構(gòu)采用板單元進(jìn)行模擬，鉚釘采用bush元進(jìn)行模擬，其剪切剛度計(jì)算公式[1]見(jiàn)式（6）。

2.3.2細(xì)節(jié)應(yīng)力確定

可以看出，1）中緣條區(qū)域，實(shí)測(cè)結(jié)果與細(xì)節(jié)模型分析結(jié)果基本相當(dāng)；2）內(nèi)緣條為自由邊發(fā)生扭曲變形，導(dǎo)致內(nèi)緣條區(qū)域越靠近自由端應(yīng)力水平越低，分析與實(shí)測(cè)吻合較好；3）13長(zhǎng)桁處，框應(yīng)力水平較大點(diǎn)位于內(nèi)緣條與腹板交匯處（D點(diǎn)）。

圖8 13長(zhǎng)桁處框截面應(yīng)力分布曲線(xiàn)

表1 參考應(yīng)力/ MPa

2.3.3 釘載分布確定

13長(zhǎng)桁處，框與角片通過(guò)7個(gè)鉚釘進(jìn)行連接（連接部位編號(hào)見(jiàn)圖9中1～7）,另外，1、2為角片與長(zhǎng)桁連接部位，1～6為角片與蒙皮連接部位。精確獲取1～7處環(huán)向（即圖9中向）釘載分布情況，是對(duì)B點(diǎn)（對(duì)應(yīng)2）及C點(diǎn)（對(duì)應(yīng)1）進(jìn)行疲勞分析的基礎(chǔ)。

圖9 分析部位鉚釘位置標(biāo)示

影響1～7處環(huán)向釘載分布的力素包括①②③，在1～7處產(chǎn)生的釘載分別記為：P、N、Q(見(jiàn)圖10)，1～7處產(chǎn)生的總載荷=P+N+Q。下面，定量分析這3個(gè)力素對(duì)釘載分布的影響。

圖10 鉚釘載荷影響因素示意圖

在細(xì)節(jié)有限元模型（見(jiàn)圖11）基礎(chǔ)上，進(jìn)行局部調(diào)整，分為3個(gè)模型進(jìn)行分析：1）01（真實(shí)結(jié)構(gòu)型式，不做調(diào)整,考慮所有因素），獲?。≒+N+Q）；2）02（移除1、2處模擬鉚釘?shù)腷ush元，即不考慮③的影響），獲取P+N；3）03（移除1、Q2處、1～6處模擬鉚釘?shù)腷ush元，即僅考慮②的影響），獲取N。

分析結(jié)果：1）從圖12a）可以看出：兩條曲線(xiàn)分布基本相當(dāng)（即：Q相對(duì)較小），為簡(jiǎn)化分析，不考慮③對(duì)釘載的影響；2）從圖12b）可以獲取：①和②這兩個(gè)影響因素對(duì)1～7處環(huán)向釘載貢獻(xiàn)量，N、P。

結(jié)合總體有限元模型中相應(yīng)部位單元（見(jiàn)圖13）載荷，獲得釘載分布修正系數(shù)曲線(xiàn)：1）從總體有限元模型中獲取相應(yīng)單元載荷（包括：框環(huán)向載荷N及角片剪切載荷P）；2）從細(xì)節(jié)有限元模型中獲取釘載（見(jiàn)圖12b)中的曲線(xiàn)N、P）；3）獲取釘載修正系數(shù)（即/），見(jiàn)圖14。

圖11 局部細(xì)節(jié)有限元模型示意圖

圖12 釘載分布示意圖

圖13 13長(zhǎng)桁處總體模型示意圖

圖14 釘載修正系數(shù)

將總體有限元模型中所有普通框疲勞薄弱部位單元載荷T，與圖14中釘載分布修正系數(shù)（R/T）相乘，即可快速獲取分析部位釘載分布R。試驗(yàn)件考核段所有框結(jié)構(gòu)中，分析部位B點(diǎn)和C點(diǎn)釘載分布見(jiàn)表2～表4。

表2 釘載RP分布/N

表3 釘載RN分布/N

表4 分析部位總釘載/N

2.4 疲勞壽命分析

采用第2章中DFR法[6]對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命分析。其中相關(guān)參數(shù)取值為：、、、、、c為1.0；為0.8。考慮到框腹板最大主應(yīng)力與框環(huán)向應(yīng)力基本相當(dāng)（方向大體一致、大小偏差小于1%），因此，提取兩個(gè)疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力及環(huán)向釘載進(jìn)行疲勞壽命分析，疲勞可靠壽命（可靠度為95%，置信度為95%）見(jiàn)表5?？梢?jiàn)

1）點(diǎn)為最薄弱疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)；

總之，傣族織錦藝術(shù)與現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)的結(jié)合，是時(shí)代發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，兩者是相互發(fā)展，相互依存的。對(duì)傣族織錦的研究，不僅有利于民族傳統(tǒng)文化的保護(hù)與傳承，而且可以為現(xiàn)代設(shè)計(jì)提供靈感來(lái)源和設(shè)計(jì)元素。在21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，我們應(yīng)充分利用好傣族織錦藝術(shù)，為現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)的發(fā)展提供新鮮血液。

2）27框由于為壁板對(duì)接框，應(yīng)力水平相對(duì)較低，壽命為62704次起落；

3）考核區(qū)27框除外的所有普通框疲勞壽命基本相當(dāng)（在25600次起落左右）。

表5 疲勞可靠壽命（次起落）

3 機(jī)身等直段疲勞試驗(yàn)

機(jī)身等直段試驗(yàn)進(jìn)行到55000次起落時(shí)，無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)考核區(qū)多個(gè)框13長(zhǎng)桁處C點(diǎn)鉚釘釘孔邊出現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖15）。

繼續(xù)試驗(yàn)，到64000次起落時(shí)，24框在左側(cè)13長(zhǎng)桁處裂穿（框斷），為不影響試驗(yàn)件其他部位考核，對(duì)考核區(qū)所有框13長(zhǎng)桁處實(shí)施修理。壁板在27框處通過(guò)對(duì)接帶板進(jìn)行環(huán)向?qū)樱?7框應(yīng)力水平相對(duì)較低（見(jiàn)表1），在試驗(yàn)過(guò)程中未破壞，數(shù)據(jù)不計(jì)入壽命統(tǒng)計(jì)。計(jì)入統(tǒng)計(jì)數(shù)的試件共有12件（將每個(gè)框單側(cè)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)試件），試驗(yàn)壽命結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)壽命結(jié)果

采用文獻(xiàn)[6]中方法進(jìn)行試驗(yàn)壽命統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)參數(shù)選?。翰牧蠟殇X合金7075-T62；試驗(yàn)類(lèi)型為全尺寸試驗(yàn)；載荷譜為等幅譜；試件數(shù)為12件；試件破壞數(shù)7件（未破壞試驗(yàn)件按照不完全壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析）；每件試件中相同構(gòu)件數(shù)為1。分析獲得試驗(yàn)可靠壽命（置信度為95%，可靠度為95%）為30257次起落，與分析結(jié)果（對(duì)接框27框除外）相比，偏高20%左右（見(jiàn)圖16），分析結(jié)果能夠滿(mǎn)足工程精度要求。

圖16 試驗(yàn)與分析對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

1）任選一框，建立疲勞薄弱區(qū)域的局部細(xì)節(jié)有限元模型，結(jié)合細(xì)節(jié)有限元模型及總體有限元模型應(yīng)力分析結(jié)果，獲取應(yīng)力修正系數(shù)；對(duì)影響釘載的因素進(jìn)行定量分析，獲取釘載修正系數(shù)；

2）從總體有限元模型中提取所有普通框疲勞薄弱區(qū)域相關(guān)力素，結(jié)合應(yīng)力及釘載修正系數(shù)，確定疲勞細(xì)節(jié)點(diǎn)參考應(yīng)力及釘載。針對(duì)某型機(jī)身等直段疲勞試驗(yàn)件中框連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)應(yīng)力及釘載分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞壽命分析，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是便于編程批量處理，在保證分析精度的同時(shí)，極大縮短疲勞分析周期，能較好滿(mǎn)足飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)多輪次尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)需求，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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The Method of the Fatigue Analysis of the Joint Structure in the Fuselage Frame

LI Bao-zhu ZHU Gao-shang HE Yu WANG Hui-mei CHEN Hai-bo

（AVIC XAC COMMERCIAL AIRCRAFT CO.,LTD Xi’an 710089,China）

A series of these modified factors were obtained by combining these results from the global finite element model and regionally detailed finite element model in the joint area of these frame structures, and then a fast method with high precision by which the distribution of the stress and rivet load of these fatigue weak sites were calculated was put forward according to these previous modified factors. On this basis, fatigue life analysis was carried out, these results from analysis were consistent with those from test. This method with high efficiency could meet the requirement of many rounds of optimal size design and have a strong engineering application value.

Fuselage barrel test; frame; rivet load; fatigue

V415.5

A

1006-3919(2021)02-0031-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.02.005

2020-12-16；

2021-03-12

李寶珠（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：疲勞和損傷容限設(shè)計(jì)；（710089）西安市閻良區(qū)藍(lán)天路88號(hào).