0 引言

民用飞机结构必须在预期的使用寿命期内具有高安全性和高可靠性,同时具有良好的经济性。飞机结构疲劳设计的目标便是通过设计和疲劳强度分析等手段,使结构具有较好的疲劳性能,提高结构的耐久性,实现飞机长寿命和具有良好的经济性的研制要求,同时保证结构的高安全性和高可靠性。

对结构进行抗疲劳设计,提高结构固有的疲劳特性,是实现疲劳设计目标的主要途径。疲劳设计是否成功,涉及到许多方面,例如结构设计方案、生产制造过程、强度分析、疲劳试验和载荷应力等等,根据过往的经验,导致飞机结构出现疲劳问题的原因主要有以下几类:

1)存在不好的结构细节设计;

2)结构承受附加应力和次应力;

3)结构部位的工作应力过大,超出限制;

4)其他因素。

以上所列前三条原因,占疲劳问题出现原因的80%以上,因此改进结构细节部位的实际应力水平和控制结构部位的应力水平,是进行结构抗疲劳设计的关键^[1-7]。

本文针对某型号民用飞机球面框球皮搭接对缝实际结构中存在的设计问题给出了分析,并提供了一种结构优化方案。对比分析的结果表明优化设计方案有效提高了结构疲劳损伤容限性能,并减少了结构重量以及维护成本。

1 球面框结构简介

某型号飞机球面框为气密端框,结构简图如图1所示。框缘由主、副框组成,其中主框缘条共分为6段,主框缘条通过8块对接板对接,副框外缘条分为4段,副框内缘条分为2段。辐条分为15根长辐条,14根短辐条,长短辐条均匀布置在球皮凸面,辐条序号及对应长桁位置示意图如图2所示。球皮在1#、左侧和右侧5#、9#和13#辐条处搭接,共分成7块。球皮铆缝搭接处有两层指形加强板,分别贴在搭接球皮的内侧和外侧。球皮、指形加强板和主辐条共有三排铆钉铆接。

2 搭接结构及优化方案

在原结构中指形加强板被布置在球皮两侧外表面,截面图如图3所示。指形加强板用来降低球皮搭接对缝端部紧固件传递的载荷,但由于指形加强板被布置在球皮外侧,球皮搭接处紧固件孔边出现裂纹时只能通过无损检测的方法进行检查,提高了维护维修成本。

针对在球皮外侧布置指形加强板遮挡球皮这一问题,本文提出一种结构优化方案,用一层布置在两层球皮中间的指形加强板代替原结构中球皮两侧的指形加强板,截面图见图4。这种优化方式不会对球皮造成遮挡便于损伤的检查,同时用一层加强板代替原结构中的两层加强板,能够降低结构重量。

3 结构有限元应力分析

由于球皮搭接部位由内外球皮及指形加强板组成,且紧固件排布不规则,结构连接形式较复杂,故建立有限元模型对连接结构进行载荷传递分析^[8]。原结构分析结果云图如图5和图6所示。

由图5和图6对比可以看出指形加强板所分担的载荷十分微小,并没有起到分担球皮载荷降低球皮应力的作用。原结构紧固件剪力如表1所示。

由表1中紧固件剪力可以发现,紧固件最大剪力单元位于两块球皮中间,最大剪力为297.3N,而单独连接指形板与球皮的紧固件剪力相对其他紧固件剪力小很多,在50N~60N之间。因此将指形加强板布置于球皮外侧并不能起到分担球皮载荷降低紧固件传载的作用。

应用相同的建模方案、边界条件及外载荷对优化结构进行有限元分析,分析结果云图如图7和图8所示。

由图7和图8对比可以看出指形加强板起到了明显的分担球皮载荷降低球皮应力的作用。优化结构球皮间紧固件剪力如表2所示。

续表2

由表2中紧固件剪力可以发现,紧固件最大剪力单元位于两块球皮中间,最大剪力为257.6N,相比原结构紧固件最大载荷减少了13.4%,有了明显的降低,且紧固件中的钉载分布也更加均匀。因此将指形加强板布置于两块球皮中间能起到明显的分担球皮载荷降低紧固件传载的作用。

4 疲劳损伤容限分析

4.1 结构疲劳强度分析

分别对原结构及优化结构进行疲劳强度分析。由有限元分析结果可知在原结构中指形加强板并不能起到分担球皮载荷的作用,因此球皮铆缝搭接处的连接形式为稳定单剪,疲劳危险位置在球皮搭接处第一排铆钉位置。连接铆钉为5号钉,钉间距S=20mm,普通头铆钉。

由有限元分析结果可知紧固件最大剪切载荷为297.3N,取一倍钉间距的宽度作为细节疲劳分析模型,有限元模型中施加在一倍钉间距宽度的外载荷为820N。因此单剪连接件的危险端部紧固件载荷与外载之比为:R₁/P=297.3/820=0.36。

由铆接接头稳定单剪的载荷传递公式^[1]可得:

$\psi =0.655-0.525\times \mathrm{l}\mathrm{g}\left(\frac{R_1}{P}\times \frac{S}{d}\times \frac{t}{d}\right)=0.8$

疲劳细节额定值:

$F_1=121\times 1.0\times \psi =121\times 0.8=96.8\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$

在优化结构有限元结果中可知紧固件最大剪切载荷出现在同时连接内外球皮与指形加强板的三排紧固件最外一排紧固件处,最大剪切载荷为257.6N。取一倍钉间距的宽度作为细节疲劳分析模型,有限元模型中施加在一倍钉间距宽度的外载荷为820N。因此单剪连接件的危险端部紧固件载荷与外载之比为:R₁/P=257.6/820=0.31。

由铆接接头稳定单剪的载荷传递公式^[1]可得:

$\psi =0.655-0.525\times \mathrm{l}\mathrm{g}\left(\frac{R_1}{P}\times \frac{S}{d}\times \frac{t}{d}\right)=0.84$

疲劳细节额定值:

$F_2=121\times 1.0\times \psi =121\times 0.84=101.64\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}$

由以上分析可知优化结构疲劳强度比原结构增加了5%,因此优化结构疲劳寿命将比原结构增加20%以上。

4.2 结构损伤容限分析

由于原结构与优化结构疲劳危险部位均位于内外球皮搭接的三排紧固件中最外一排处,因此在进行裂纹扩展分析时分析模型尺寸一致。裂纹扩展分析分为两个阶段:第一阶段为钉孔处穿透裂纹,取一倍钉距的宽度作为模型宽度,由铆钉孔处穿透裂纹扩展至边裂纹;第二阶段为有限长度平板中心穿透裂纹,取初始裂纹尺寸为127mm,模型宽度取球皮径向长度1 470mm^[9]。

两阶段的裂纹扩展示意图如图9和图10所示。

使用NASGRO软件^[10]对两个阶段分别进行裂纹扩展分析。由裂纹扩展分析模型可知,两种结构形式只有第一阶段裂纹扩展分析存在钉载的差异,因此仅在第一阶段分别对两种结构形式进行裂纹扩展分析,第二阶段裂纹扩展分析不再分别计算。分析结果如图11~图13所示。

综合第一阶段和第二阶段的计算结果得出,原结构球皮裂纹扩展飞行次数为:N _CRIT=51 551+20 564=72 115。

优化结构球皮裂纹扩展飞行次数为:N _CRIT=74 707+20 564=95 271。

原结构球皮裂纹检查门槛值:

${\mathrm{\Delta }}_{TH}=\frac{N_{\text{CRIT}}}{K_1\times K_2\times K_4}=\frac{72115}{2\times 1\times 1}=36057$

由于原结构中球皮对缝处有指形加强板遮挡,故采用低频涡流检测,球皮的最小可检裂纹长度为6.35mm,第一阶段结束即可检,对应的飞行次数为20 564次飞行。重复检查间隔:

${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{C}}=\frac{N_{\mathrm{C}\mathrm{R}\mathrm{I}\mathrm{T}}-N_{DET}}{K_1\times K_3\times K_4}=\frac{20564}{2\times 1\times 1}=10282$

优化结构球皮裂纹检查门槛值:

${\mathrm{\Delta }}_{TH}=\frac{N_{\mathrm{C}\mathrm{R}\mathrm{I}\mathrm{T}}}{K_1\times K_2\times K_4}=\frac{95271}{2\times 1\times 1}=47635$

优化结构中球皮没有被遮挡,故采用详细目视检查,球皮的最小可检裂纹长度为25.4mm,第一阶段结束即可检,对应的飞行次数为20 564次飞行。重复检查间隔:

${\mathrm{\Delta }}_{\mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{C}}=\frac{N_{\mathrm{C}\mathrm{R}\mathrm{I}\mathrm{T}}-N_{DET}}{K_1\times K_3\times K_4}=\frac{20564}{2\times 1\times 1}=10282$

分散系数K₁、K₂、K₃、K₄的定义及取值如表3所示。

5 结论

本文采用有限元方法确定了复杂连接结构中紧固件传递的载荷,并对结构细节进行了疲劳损伤容限分析。分析结果对比如表4所示。

通过以上的分析,可以得出如下结论:

1)在球皮外侧布置指形加强板并不能起到分担球皮载荷,降低端部紧固件传载的作用。而且由于指形加强板的遮挡,导致对球皮裂纹的检查只能采用专业的无损检测设备进行,且对损伤的修理也需要先将整片指形板取下才能实施,增加了检修工时,提高了维护成本。

2)优化结构中球皮端部紧固件载荷降低13.4%,载荷在紧固件上的分布更加均匀,疲劳细节额定值提高了5%,疲劳寿命增加22.1%,裂纹扩展寿命增加32.1%。由于指形加强板布置在两层球皮之间,因此对球皮紧固件孔边损伤的检查可直接采用目视,降低了维护成本,同时结构重量也减轻了41.4%。

参考文献