一種結構件R區(qū)清根的結構補償方法研究

杜娟，馮栓義，辛志東

（中航飛機漢中飛機分公司，陜西 漢中 723000）

1 概述

某飛機后大門在開關大門時，要先將后大門落在開口側L型大梁水平緣條上，L型大梁緣條R圓角應為2.5mm,現(xiàn)R圓角為1mm(即該結構件R區(qū)清根)，該結構部位主要承受機體氣密載荷和外載荷，清根后增大了緣條根部應力集中，既清根對該結構的疲勞壽命影響較大，本文通過應力疲勞分析，緣條清根后疲勞壽命不夠，為了彌補R圓角缺失引起的應力集中，改變疲勞危險部位，增加疲勞壽命，選定一種特制角盒，由特制角盒立筋受拉傳遞緣條突緣氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應力，彌補緣條R圓角缺失導致的疲勞壽命降低，使其能同時滿足結構安裝及強度設計要求。

2 結構補償方法及影響分析

2.1 結構補償方法

某飛機后大門開口側L型大梁緣條在傳遞載荷時，圓角的缺失對緣條應力集中的影響非常明顯。由于緣條已裝機，拆卸更換涉及很多零件的配合協(xié)調，增加角盒零件可以提高該型材（超差R角減小后）根部的抗彎曲能力和降低根部應力集中，從而增加疲勞強度。特制加強角盒，每兩個框之間單側型材等距安裝2個加強角盒，用角盒立筋對緣條R圓角的缺失進行補強。

2.2 結構補償影響

特制加強角盒后，對飛機的影響主要涉及后大門的開關這個功能性影響，飛機重量影響，維護性影響，后大門的氣密性影響，安裝工藝性影響等。

（1）功能性影響。結構在原有緣條上增加了28個角盒后，由于增加角盒在緣條R區(qū)，飛機后大門的開關在緣條的水平面上，不影響后大門的開關，既增加角盒對機身后大門的開關這個功能性無影響。

（2）重量影響。結構增重估算：結構增加了28個角盒重量和連接標準件重量。單個角盒重量0.05kg，角盒總重1.4kg；標準件增重約0.4kg，因此結構總增重1.8kg左右。且在50～58框間均勻分布，對整個后機身重量重心影響不大，增加的這些重量對于軍用運輸機是可以接受的。

（3）維護性影響。新增加強角盒零件結構形式同機身其他框位處角盒形式，是機身固定結構件，不增加額外維護工作，維護性同原大梁結構。

（4）后大門氣密性影響。新增加強角盒蒙皮方向尺寸經(jīng)過協(xié)調，安裝后不會對后大門密封帶產生摩擦和刮蹭，因此對后機身結構氣密無影響。

（5）安裝工藝性。安裝加強角盒時，因為，每個隔框之間已有為了下部緣條和側腹板連接安裝的工藝口蓋，因此可以借助原有口蓋完成加強盒與側腹板的結構連接。內部螺栓安裝時，原有結構能夠保證有足夠的工藝通道。

3 結構強度評估

3.1 靜強度評估

緣條的靜強度計算模型相當于一個懸臂梁，圓角R的缺失相當于在圓角處截面積的減少，應力會相應地增大。緣條R圓角為2.5mm時，緣條截面面積：F=261.56mm2，R圓角為1mm時截面面積：F=261.12 mm2。緣條R圓角為2.5mm時強度σR=2.5=S/FR=2.5，緣條R圓角為1mm時強度σR=1=S/FR=1，強度損傷比 σR=1/σR=2.5=（S/FR=1）/（S/FR=2.5）=261.12/261.56=0.998，靜強度損傷了0.168%，緣條剖面面積略有損失，在受軸向載荷時緣條應力有所增加，但增加量非常小，靜強度基本無影響。

3.2 壽命評估

為評估緣條R圓角缺失對壽命的影響，用ABAQUS有限元分析軟件建立兩個有限元模型，兩個模型唯一的不同之處是一個R圓角為2.5mm，一個R圓角為1.0mm，其余材料屬性，邊界條件均相同。材料彈性模量E取71000MPa，泊松比ν取0.3，網(wǎng)格類型選擇C3D8R，125600個網(wǎng)格單元，簡支約束一面，約束型材兩端x方向位移，在型材面內施加所受的外載荷1893.3N及氣密載荷600N，共2493.33N。

有限元計算分析結果：有限元計算結果顯示，圓角處應力最大，為零件疲勞危險部位，圓角R為1.0mm模型，最大應力為145.4MPa；圓角R為2.5mm模型，最大應力為130.9 MPa。載荷在通過緣條根部傳向約束處時，緣條根部截面突變，應力集中高，有限元計算結果最大應力都在緣條根部，圓角R=2.5mm的應力明顯大于圓角R=1mm的應力，與前期分析一致，有限元計算結果可信。

型材在承受一定的氣密載荷時，型材是以彎曲的形式傳遞載荷，在型材圓角位置產生一定的應力集中，使得疲勞性能降低，適當?shù)膱A角過渡可以降低應力集中，從而提高疲勞壽命。

疲勞評估：疲勞壽命的評估有名義應力法，應力嚴重系數(shù)法，局部應變法，場強法等，鑒于緣條R圓角的缺失通過名義應力法就可以體現(xiàn)出來，選擇名義應力法對緣條R角進行壽命評估。

采用名義應力法估算零件的疲勞壽命：

名義應力

σn=6M/bt2=6×2493.33×11.5÷400÷（2.5）2=68.81MPa

圓角R為1.0mm應力集中系數(shù)K1=145.4÷68.81=2.11

圓角R為2.5mm應力集中系數(shù)K2=130.9÷68.81=1.90

應力集中系數(shù)比η=K1/K2=1.11

工程上常用的鋁合金疲勞壽命方程為SαN=C，其中α、C為材料常數(shù)，則圓角R=1.0mm的疲勞壽命與圓角R=2.5mm疲勞壽命的關系式為：

材料LY12鋁合金的α一般取5～7，現(xiàn)取α為5。

N2=0.59N1，即圓角R=1.0mm的疲勞壽命等于圓角R=2.5mm疲勞壽命的59%，

其中：N1為圓角R=2.5mm的疲勞壽命，S1為N1對應的應力，N2為圓角R=1.0mm的疲勞壽命，S2為N2對應的應力。查LY12材料的S-N曲線的等壽命曲線及上節(jié)有限元計算，保守取應力集中系數(shù)Kt為3，一次飛行2次開關后大門，疲勞分散系數(shù)取4，最小應力為0MPa，圓角R=1.0mm時最大應力為145.4MPa,壽命為13750次起落，有圓角R=2.5mm時最大應力為130.9MPa，壽命為25000次起落。針對零件圓角R=1.0mm過渡疲勞壽命不足，現(xiàn)增加特制角盒，設計特制角盒立筋受拉傳遞氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應力，改變載荷傳遞路徑，降低緣條圓角位置應力集中。

在依據(jù)結構加強方案，建立有限元模型，約束、載荷施加均和超差未加強模型（緣條R圓角為1.0mm）相同。螺栓連接是機械結構中最常用的連接方式之一，它的有限元模擬仿真是有限元仿真分析中比較復雜的問題之一。對于螺栓的有限元模擬仿真通常有以下幾種方法：（1）采用梁單元模擬，并耦合自由度；（2）采用多個彈簧元模擬，設置彈簧元的剛度系數(shù)；（3）采用三維實體建模，設置接觸，綁定，施加螺栓預緊力來模擬。根據(jù)模型結構主要考核緣條R圓角缺失對疲勞壽命影響的實際情況，螺栓本身及加強角盒只是進行傳力，不是本文的考核重點，因此，本文在建立有限元應力分析模型時，直接選用梁單元來模擬螺栓連接。螺栓連接計算選用國際上公認先進的非線性有限元分析軟件ABAQUS，把CATIA模型導入有限元分析軟件ABAQUS中，建立有限元模型。在有限元模型網(wǎng)格劃分時，對重點連接部位進行局部網(wǎng)格加密處理。

有限元計算結果顯示，增加了加強角盒，改變了結構的傳力路徑，降低了緣條的局部彎曲應力，現(xiàn)應力最大部位在角盒立筋位置，緣條圓角位置上最大應力降為98.91MPa，比原圓角R=2.5mm緣條最大應力130.9MPa小，滿足疲勞壽命要求。由有限元分析計算結果可以看出，通過在緣條上增加一定數(shù)量的角盒，水平緣條上的氣密載荷通過角盒傳向豎直邊，使得緣條根部應力大大降低，即由特制角盒立筋受拉傳遞緣條突緣氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應力，彌補緣條R圓角缺失導致的疲勞壽命降低，使得緣條根部不是疲勞危險部位。

4 結語

綜上所述，緣條根部過渡圓角R清根后，應力集中系數(shù)增大，疲勞壽命降低很多，不能滿足飛機零件壽命要求，通過增加特制角盒，設計特制角盒立筋受拉傳遞緣條突緣氣密載荷，降低緣條自由突緣彎曲應力，彌補緣條R圓角缺失導致的疲勞壽命降低，能夠滿足設計要求。經(jīng)結構補償?shù)挠绊懛治?、靜強度分析、疲勞評估，可知，結構處理方案能夠滿足強度設計要求。