機身壁板剪切工程算法及試驗驗證

成李南，趙少杰，李新祥，程立平，遲 堅

(1.中國飛機強度研究所 全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中航工業(yè)一飛院，陜西 西安 710089)

1 引 言

在飛機結構中，機身壁板是機身結構最重要的構件之一，占機身結構重量的比重較大。因此，提高機身壁板的承載能力、降低其結構重量，是有效減少機身重量的重要內容[1]。

機身壁板的穩(wěn)定性和承載能力與蒙皮和長桁的結構密切相關。蒙皮和長桁作為承受機身剪切載荷最主要的構件，其設計是機身結構強度設計的一項重要內容。在飛機設計的整個過程中，機身壁板的結構參數(shù)需要根據(jù)機身載荷和結構布置的變化進行更改[2-5]。

剪切許用應力的確定主要采用試驗方法或半經(jīng)驗方法，其中，試驗方法是確定剪切許用應力的最佳途徑[1]。Tran等[6]總結得出，壁板蒙皮曲率半徑及加筋條截面幾何參數(shù)對壁板線性屈曲及抗壓強度極限有影響。

本文針對機身壁板中蒙皮和長桁布置結構優(yōu)化問題，設計加工了3類不同構型的試件和試驗裝置，并完成了驗證試驗。應用工程算法對機身蒙皮初始屈曲載荷和屈曲破壞載荷進行計算，并與試驗結果進行了對比。本研究所得的結論為機身壁板結構中蒙皮和長桁的設計提供了一定的試驗依據(jù)。

2 研究現(xiàn)狀

針對機身壁板剪切試驗方法的研究一直受到國內外研究機構的重視，其核心是試驗裝置和載荷施加。目前，國內比較成功的機身壁板剪切裝置是臧偉峰等[7]設計的“D”形盒，見圖1(a)。該方法采用“D”夾具和弓形角盒模擬機身圓筒結構，能較好地模擬機身實際受力情況。該裝置已成功應用于民用飛機機身壁板剪切穩(wěn)定性試驗，取得了良好的試驗結果。國外有代表性的試驗裝置為NASA開發(fā)的COLTS(Combined Loads Test System)裝置，見圖1(b)。該裝置采用圓筒扭轉的方式施加剪切載荷，可施加載荷2720kN，試件兩端設計有足夠長的過渡段和加載段。

(a)“D”夾具

(b)COLTS圖1 機身壁板剪切試驗現(xiàn)狀

3 工程算法

3.1 屈曲載荷計算

機身壁板在剪切載荷作用下發(fā)生屈曲后，以對角張力的形式繼續(xù)承載。曲板張力場結構的典型應用是機身蒙皮壁板，張力場理論是根據(jù)一個半經(jīng)驗、半理論的工程方法實現(xiàn)的，其設計計算的要點是計算蒙皮屈曲后的張力對桁條和隔框的附加力及其引起的附加應力[1]。曲板在純剪載荷下的屈曲應力τcr可由下式計算：

(1)

其中：

(2)

式中，h為長桁間距；d為隔框間距；R為曲板的曲率半徑；E為曲板的彈性模量；υe為腹板材料的彈性泊松比；t為壁板厚度；Zb為曲板的曲率參數(shù)；ks為簡支曲板的剪切屈曲系數(shù)[1]。

3.2 破壞載荷計算

曲板中的張力場角，與曲板、隔框、長桁中的應力、應變有關，張力場在曲板、隔框和長桁中引起的應力、應變可用下列公式計算。

長桁中由張力場引起的應變εst為：

(3)

隔框中的應變εrg為：

(4)

蒙皮的應變ε為：

(5)

曲板張力場角α可由下式表示：

(6)

式中，E為曲板材料的彈性模量；Est為長桁材料的彈性模量；Erg為隔框材料的彈性模量；Ast為長桁剖面面積；Arg為隔框剖面面積；當無壓扭復合載荷時Rs取為1。

長桁和框對應力的影響量：

(7)

機身壁板許用應力：

(8)

4 驗證試驗

4.1 試件

試件由上下兩塊壁板和側梁組成，每塊壁板包括6個長桁間距和4個框距。試件壁板兩側均用金屬板加強，用于試驗支持和加載。試件尺寸為2090mm×1276mm×430mm，剪切壁板試件示意圖見圖2。試件主要材料牌號：①兩邊側梁：2A12-XC11-46型材的緣條，2A12XC111-53型材的立柱和7075-T6的腹板；②蒙皮：2524-T3的蒙皮；③框：7075-T62的“Z”形框緣和“L”形剪切片；④長桁：7075-T73511的擠壓長桁，7075-T62的鈑彎長桁。試件按蒙皮的厚度及半徑、長桁的類型及間距分為3類，每類包含3件相同的試件，所有試件框間距均為530mm，試件的主要尺寸見表1，長桁和框結構示意圖見圖3。

圖2 剪切穩(wěn)定性試件示意圖

圖3 長桁和框結構示意圖

表1 試件主要尺寸

4.2 試驗裝置和載荷施加

本文參照NASA開發(fā)的COLTS試驗裝置(該裝置曾成功應用于某支線飛機機身壁板剪切試驗)，分別在試驗件的兩端設計支持盒段和加載盒段，盒段由兩塊機身壁板通過槽型梁相連組成，支持盒段和加載盒段分別通過角盒與試驗件相連接，并設計上下拉板，連接于加載盒段兩端槽型梁上。試驗中，對上拉板施加拉伸載荷，對下拉板施加壓縮載荷，采用逐級加載方式，以達到扭轉加載盒段的目的。同時設計定位軸，使加載盒段圍繞定位軸旋轉，而不對試件產生附加彎矩。具體試驗裝配如圖4所示。

圖4 試驗裝配示意圖

每個試件在考核區(qū)格子中心位置的蒙皮內外側各布置5個應變花(如圖5所示)，內側應變花編號為n1#～n5#，外側應變花位置與之對應，背靠背粘貼，方向相同，編號為w1#～w5#。

圖5 蒙皮應變花布置

5 結果分析與比較

5.1 屈曲破壞

分別對3組試件進行了剪切穩(wěn)定性試驗，試驗數(shù)據(jù)的分散性較好，各組試件的初始屈曲載荷、屈曲破壞載荷如圖6所示；各組試件考核區(qū)的載荷-剪應變曲線見圖7。

(a)初始屈曲載荷

(b)屈曲破壞載荷圖6 屈曲載荷對比

(a)第一組

(b)第二組

(c)第三組圖7 蒙皮載荷-應變曲線

5.2 試件屈曲

試件加載前的完好安裝狀態(tài)見圖8(a)，試件在加載初期呈純剪狀態(tài)，隨著載荷增大，格子中蒙皮開始屈曲，進入張力場。在張力場起始階段，長桁和框開始受力，格子中蒙皮的屈曲波整齊均勻，見圖8(b)。隨著載荷繼續(xù)增加，一個波變成兩個或者三個波，載荷向試件的主張力線上集中，試件進入塑性屈曲，見圖8(c)。隨著載荷繼續(xù)增大，屈曲波穿越長桁，主張力線附近的屈曲波加深，偏離主張力線的屈曲波變淺，試件屈曲破壞，見圖8(d)。3組機身壁板試件的變形過程及其破壞模式基本相同。

5.3 結果比較

利用本文前面給出的公式，對3組試件初始屈曲載荷和屈曲破壞載荷進行計算，并和試驗結果進行對比。試件蒙皮初始屈曲載荷比較見表2，屈曲破壞載荷比較見表3。

(a)初始狀態(tài)

(b)初始屈曲

(c)塑性屈曲

(d)屈曲破壞圖8 典型屈曲模式

表2 初始屈曲載荷比較

表3 屈曲破壞載荷比較

通過第一組和第二、第三組結果比對可以看出，蒙皮厚度變化對機身蒙皮剪切屈曲有較大的影響；通過第二組和第三組結果對比可知，長桁間距對機身蒙皮剪切屈曲有一定影響。試驗結果與工程算法結果對比偏大，原因有兩點：(1)工程算法為保證設計裕度，計算偏保守；(2)機身壁板試件蒙皮在長桁和框格子里經(jīng)過銑削加工后變薄，導致承受剪切載荷能力變弱。

6 結 論

由以上分析，可得出如下結論：

(1)蒙皮厚度對機身蒙皮剪切屈曲有較大影響，長桁結構形式對機身蒙皮剪切屈曲影響不大，長桁間距對蒙皮剪切屈曲有一定影響。

(2)試驗結果很好地驗證了工程算法，同時為機身壁板結構中蒙皮、長桁和框的設計提供了一定的試驗依據(jù)。