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。

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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)危險細節(jié)處的疲勞壽命，并進行了對比，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墸湓囼灱?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)的壽命遠遠大于考核區(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，達到試驗件設(shè)計技術(shù)要求。

機身壁板環(huán)向?qū)悠谠囼灱髁Ψ治?/h2>

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節(jié)設(shè)計，來提高過渡區(qū)疲勞危險細節(jié)的壽命。

不同過渡區(qū)設(shè)計的疲勞性能對比

本文設(shè)計了三種過渡區(qū)形式，對它們疲勞危險細節(jié)的壽命進行了分析對比。

過渡區(qū)采用機加接頭

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?？己藚^(qū)中，長桁接頭立邊和長桁立邊連接端部緊固件處（見圖1）是疲勞危險細節(jié)。過渡區(qū)中，紅色圓圈標記緊固件處的長桁是危險細節(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。

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)的疲勞危險細節(jié)不變。過渡區(qū)中橙色圓圈標記處是疲勞危險細節(jié)，其中墊板長桁連接處的危險細節(jié)在長桁上，墊板蒙皮連接處的危險細節(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。考核區(qū)的疲勞危險細節(jié)不變。過渡區(qū)中紅色圓圈標記處是疲勞危險細節(jié)，其中長桁墊板連接處的危險細節(jié)在長桁上，墊板蒙皮連接處的危險細節(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)危險細節(jié)壽命對比

討論

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，遠高于3倍的設(shè)計要求，效果很好。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.040