飞机机翼下壁板对接件损伤容限方法研究

摘要：损伤容限评定工作是飞机结构设计和结构寿命估算工作的重要环节，本文立足于工程实际，针对机翼下壁板，开展了断裂力学特性分析和损伤容限方法研究，为结构选型提供基础数据。本文针对飞机机翼下壁板对接结构，提出了针对此类结构的损伤容限评定的基本方法和流程，运用ANSYS数值仿真及计算获得了裂纹动态扩展过程中的应力强度因子[2]。本文研究飞机机翼下壁板结构损伤容限评定具有工程使用价值，为飞机结构采用此类结构的损伤容限评定提供了方法和技术[3]。

关键词：应力强度因子，损伤容限，机翼下壁板

1机翼下壁板结构参数化设计思路

模拟典型T桁条和蒙皮（含凸台）加筋结构使用ANSYS参数化设计语言（ANSYSParametricDesignLanguage）——APDL。此为一种解释性语言，可以用来自动完成一些适用性强的任务，也可以用于根据参数来建立模型。APDL还包括其它很多特性，诸如重复某条命令，宏，if-then-else分支，do循环，标量、向量及矩阵操作等[5]。

思路如下：

在ANSYS9.0中建立了机翼下壁板结构的有限元模型，其中蒙皮和桁条均选取弹性八结点壳单元SHELL93模拟;铆钉选用销钉单元COMBIN7模拟，由于结构的铆钉非常多且间距与规格相同，建模过程中采用循环建立销钉单元，简化了建模过程。裂纹尖端选取奇异单元QPE（QuarterPointElement）模拟。

长桁用SHELL93单元（此常用单元参考ANSYS帮助文档）进行模擬，型材各个部分的厚度取为单元的厚度。蒙皮单元也用SHELL93单元，单元的厚度与蒙皮的实际厚度相同。有凸台的位置蒙皮单元厚度为1.8mm，其它单元的厚度为1.5mm。

根据结构的对称性，选择了一半结构用于计算，参考应力： ，P=100KN。蒙皮和长桁都加载，约束取对称约束。在建模计算过程中，裂纹建成半裂纹模型，开裂的部分不约束，动态计算了各种组合情况的应力强度因子。

下面机翼下壁板结构（不含裂纹面的）的静力模型[7]。

从图3可以看到，整个结构的应力还是比较均匀，左右应力水平也比较对称，由于模型长度较短，边界效应比较明显，分析时候忽略边界效应的影响。蒙皮与桁条都施加载荷，整体结构的传力比较均匀，钉孔位置的应力相对蒙皮与其他位置而言应力水平较低，结构设计较优[6]。

图4典型T桁条和蒙皮（含凸台）加筋结构（无裂纹）X方向上的位移云图

图4可以看到结构的X向位移也比较对称。这就为后边的裂纹按照对称扩展分析奠定了基础。

2机翼下壁板结构断裂力学参数计算

图5典型T桁条和蒙皮（含凸台）加筋结构的开裂模式图给出了结构的六种开裂模式，针对初始开裂模式（含六个裂纹尖端）定义为开裂模式<1>，对应于下图的有限元模型开裂模式<1>，中间开裂模式<3>对应与有限元模型开裂模式<2>。本文只给出两个开裂模式有限元模型图，计算数据还是给出每个裂纹的应力强度因子，由于结构和开裂模式比较对称，经过比较两个裂纹尖端的应力强度因子还是非常相近的[4]。

图5中给出了其中两种开裂模式的有限元模型图，图<1>是有六个裂纹尖端的网格图，按照对称分析时候只需要分析三个裂纹的扩展情况和相互影响。图<2>因为B和C裂纹已经和中间对接缝贯穿，所以形成以A和D为裂纹尖端的长裂纹。裂纹长度计数法和试验中相对应，由于蒙皮在有限元模型中简化为一个平面，模型中的角裂纹按照1mm的穿透裂纹处理。

3机翼下壁板结构的应力强度因子计算

求解应力强度因子的方法有多种，但对于比较复杂的结构中的裂纹问题，有效的方法还是有限元法。本文采用有限元求解应力强度因子的方法直接法，基于1/4节点单元的位移法，这种特殊单元能够反映裂纹尖端的奇异性，不需要用过细的网格就可以得到比较精确的结果。通过ANSYS计算的应力强度因子。相关曲线如图6是蒙皮无裂纹的不同长桁裂纹的无量纲应力强度因子曲线;图7是长桁上无裂纹蒙皮上裂纹B和C已经贯穿，只有A和D裂纹的无量纲的应力强度因子曲线。

4下壁板结构不同开裂模式下的应力强度因子分析

图7给出的曲线是蒙皮不含裂纹的不同长桁裂纹的无量纲的应力强度因子曲线。当桁条裂纹E和F还没有贯穿的时候，E和F裂纹尖端的应力强度因子基本相近，便于作曲线只选取较大值得一端。在曲线中前三点表示的就是还有两个裂纹尖端的无量纲应力强度因子，曲线凸峰最高点是桁条裂纹扩展到型材拐角处并且已经贯通成一个裂纹G的数据点。曲线的趋势和《民机损伤容限设计手册》[1]典型蒙皮和“工”型桁条加筋结构的趋势一致。

5结束语

对有限元方法中在裂尖使用奇异单元计算应力强度因子的方法进行了归纳和总结，应用有限元分析软件ANSYS计算了新型涡扇飞机机翼下壁板结构不同开裂模式的应力强度因子，本章给出了典型“T”字型桁条和蒙皮（含凸台）加筋结构的开裂模式，并且计算了两种开裂模式下蒙皮裂纹和长桁裂纹组合情况下的应力强度因子，并将其无量纲化和绘出曲线图。为后边的裂纹扩展分析和剩余强度分析提供了基础的数据。

参考文献：

[1]《民机耐久性及损伤容限设计手册》，航空工业出版社，2003

[2]《损伤容限设计手册》，西北工业大学出版社，1989

[3]《飞机耐久性及损伤容限设计手册》，航空航天部技术研究院

[4]傅祥炯，《结构疲劳与断裂》，西北工业大学出版社，1995

[5]《FRACTUREANALYSISOFTHEFAA/NASAWIDESTIFFENEDPANELS》

[6]《飞机结构强度》，北京航空航天大学出版社，2005

[7]《TheMechanicsofFractureandFatigue》，

作者简介：张妮娜，1982.4.20出生，籍贯：会宁，民族，汉，性别：女，学历：硕士研究生。毕业院校：西北工业大学，研究方向：固体力学