基于試驗數(shù)據(jù)的金屬機體結(jié)構(gòu)WFD 評定

劉海濤，何 彧

（航空工業(yè)西飛民機，陜西 西安 710089）

為延長設備的使用壽命，金屬機身結(jié)構(gòu)設計必須確保其具有足夠的耐久性[1],而廣布損傷問題是影響續(xù)航的重要問題[2]。為此開展了金屬機身等直段疲勞試驗。在試驗進行到50000 多次循環(huán)時，發(fā)現(xiàn)多個框在相近的部位斷裂，在后續(xù)的試驗檢查中，連續(xù)發(fā)現(xiàn)其它框在相同部位也出現(xiàn)裂紋或斷裂。

針對該試驗損傷情況，進行了有限元應力分析，發(fā)現(xiàn)斷裂處框應力水平很高，是發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。由于多個框都發(fā)生斷裂，是一個典型的多元件損傷情況，經(jīng)應力比較分析，這些框應力水平相近，且結(jié)構(gòu)細節(jié)相同，因此根據(jù)廣布疲勞損傷（WFD）敏感結(jié)構(gòu)判定原則，可判斷為多元件（MED）敏感結(jié)構(gòu)。

根據(jù)該等直段疲勞試驗中，框出現(xiàn)裂紋或斷裂試驗壽命數(shù)據(jù)，采用試驗特征壽命計算方法[3]，計算出框斷裂平均壽命。通過對斷框結(jié)構(gòu)的有限元模擬分析，可見某一框斷裂后，對相鄰框的影響較小，模擬分析還表明試驗件在多個框斷裂后，仍能承受要求的剩余強度載荷。為驗證該分析推論，在剩余強度試驗中保留了所有斷框損傷，最終通過了試驗驗證。因此框斷裂特征壽命可保守地作為該WFD 敏感結(jié)構(gòu)平均行為NWFD[4]。根據(jù)框結(jié)構(gòu)的可檢性，可以確定出檢查起始點（ISP）和結(jié)構(gòu)維修點（SMP），從而完成機身框結(jié)構(gòu)的WFD 評定。

1 試驗描述

在金屬機身研制過程中，為研究結(jié)構(gòu)細節(jié)設計特性，開展了機身等直段疲勞及損傷容限研發(fā)試驗。試驗件選取真實飛機機身22 號框位至28 號框位（其中包含機身對接結(jié)構(gòu)）作為試驗考核區(qū)域，考核區(qū)兩端各增加3 個半框位用于試驗件支持及載荷過渡，試驗件及試驗支持加載情況。

試驗載荷譜依據(jù)機身此處對接框位的載荷譜通過等損傷折算得到的，為簡化試驗加載，試驗載荷譜為等幅譜。疲勞載荷工況為綜合工況，試驗時同時施加增壓載荷和彎矩載荷，一次加載循環(huán)代表一次飛行起落。

圖1 等直段試驗件及試驗加載支持圖

在試驗進行至57000 次循環(huán)時，停機檢查發(fā)現(xiàn)試驗件左側(cè)的24、25、26、28 框在第13 長桁位置處斷裂。試驗進行至58000 循環(huán)時，停機檢查發(fā)現(xiàn)左側(cè)23 框在第14 長桁位置處斷裂；由于目視檢測可能無法發(fā)現(xiàn)全部裂紋，所以進行超聲波渦流檢測，檢測后發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)22 至28 框之間在13、14 長桁位置處出現(xiàn)多處裂紋，框損傷典型情況見圖2，具體數(shù)值見表1。

圖2 框損傷情況照片

表1 框試驗壽命

60000 次循環(huán)裂紋擴展試驗完成以后進行兩種工況的剩余強度試驗，一種是純氣密工況；一種是氣密壓力和飛行載荷組合的綜合工況。兩個工況剩余強度試驗過程加載平穩(wěn)，無異常聲響及現(xiàn)象發(fā)生，試驗結(jié)束后進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生進一步的損傷。

2 損傷分析

為分析框損傷產(chǎn)生原因和框斷裂對相鄰框及附近蒙皮的影響，建立等直段試驗件多個損傷狀態(tài)下的有限元模型，采用試驗支持方式進行有限元模型約束，施加試驗載荷進行分析計算。

2.1 有限元應力分析

根據(jù)應力計算結(jié)果，通過圖3 框應力分布圖可以看出在框斷裂處靠內(nèi)緣條一側(cè)應力顯著偏高，且在斷裂處有框腹板與長桁角片的連接釘孔，因此該部位是疲勞薄弱部位。

整個考核段各個框的應力分布見圖4，試驗件結(jié)構(gòu)以及試驗加載左右對稱，對各個框在左側(cè)地板上第二個長桁間距處的應力水平值進行統(tǒng)計，內(nèi)緣條的應力值統(tǒng)計結(jié)果見表2，通過圖4和表2 的整個考核段各個框的應力比較圖可以看出等直段區(qū)域框的應力水平相當，由于各框結(jié)構(gòu)形式相同，金屬機身等直段壁板結(jié)構(gòu)屬于MED 結(jié)構(gòu)。

圖3 框應力分布圖

圖4 一側(cè)框應力比較圖

表2 框高應力區(qū)內(nèi)緣條應力統(tǒng)計

2.2 框斷裂后影響分析

為評估框斷裂對等直段試驗件的影響，分別建立一個框斷裂后的有限元模型（圖5）和多個框斷裂的有限元模型（圖6），比較可見：框斷裂后相鄰框的應力值沒有顯著提高，且多個框斷裂后蒙皮的應力水平?jīng)]有顯著提高，可確保結(jié)構(gòu)滿足剩余強度要求[5]。

圖5 一根框斷裂后應力分布圖

圖6 多框斷裂后應力分布圖

3 WFD評定

3.1 WFD 敏感結(jié)構(gòu)區(qū)域判定

試驗損傷情況表明等直段試驗件多個框結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，損傷區(qū)域集中分布在框的12 長桁至14 長桁之間，結(jié)合有限元應力分布情況可以判定該區(qū)域為WFD 敏感結(jié)構(gòu)區(qū)域。試驗件左右兩側(cè)的結(jié)構(gòu)和載荷相同，可將左右兩個區(qū)域分別統(tǒng)計計算。

3.2 試驗特征壽命計算

根據(jù)廣布損傷評定原則需確定WFD 結(jié)構(gòu)平均壽命行為，針對試驗結(jié)果計算疲勞特征壽命。對于n 個試件其中有r 個試件破壞時，特征壽命的估值通過下面公式計算：

r——試驗中破壞的試件數(shù)，本次分析所有的考核框均保守以最后破壞計算。

α——材料參數(shù)，對于鋁合金取4。

Ni——框的壽命數(shù)據(jù)，采用表1 中的數(shù)據(jù)，對于首次檢查框已斷裂的框，取上次檢查的循環(huán)壽命，對于檢測到裂紋但未完全斷裂的框，取首次檢查到裂紋的壽命值作為壽命數(shù)據(jù)，對于未發(fā)現(xiàn)裂紋的框，取60000 次循環(huán)壽命（不完全壽命）進行計算。

分別計算左右兩側(cè)框的特征壽命：

（1）左側(cè)框特征壽命為：55142 次循環(huán)。

（2）右側(cè)框特征壽命為：59135 次循環(huán)。

3.3 ISP 和SMP 的確定

為驗證該廣布損傷結(jié)構(gòu)的剩余強度，試驗時保留所有框的損傷進行，結(jié)果表明等直段試驗件結(jié)構(gòu)能夠滿足剩余強度要求，因此可保守以疲勞的特征壽命作為WFD 平均行為的判定，制定損傷容限評定的起始檢查點（ISP）和結(jié)構(gòu)維修點（SMP）。金屬機身框結(jié)構(gòu)損傷屬于可檢且易檢結(jié)構(gòu)，根據(jù)通告分別計算左右兩側(cè)框的ISP 和SMP[6]，見表3。

表3 起始檢查點和結(jié)構(gòu)維修點

通過表3 可見左側(cè)框的ISP 和SMP 比右側(cè)小，在進行WFD評定時選擇小值作為整體框的ISP 和SMP。

4 結(jié)論

本文在金屬機身等直段疲勞試驗結(jié)果的基礎上，通過對一個典型MED 結(jié)構(gòu)中相鄰框結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析處理，從而對該結(jié)構(gòu)的WFD 平均行為進行評定，可以推廣應用到其它MED 類WFD 敏感結(jié)構(gòu)的評定中。