成李南，趙少杰，李新祥，程立平，遲 堅(jiān)

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)結(jié)構(gòu)中，機(jī)身壁板是機(jī)身結(jié)構(gòu)最重要的構(gòu)件之一，占機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的比重較大。因此，提高機(jī)身壁板的承載能力、降低其結(jié)構(gòu)重量，是有效減少機(jī)身重量的重要內(nèi)容[1]。

機(jī)身壁板的穩(wěn)定性和承載能力與蒙皮和長(zhǎng)桁的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。蒙皮和長(zhǎng)桁作為承受機(jī)身剪切載荷最主要的構(gòu)件，其設(shè)計(jì)是機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在飛機(jī)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，機(jī)身壁板的結(jié)構(gòu)參數(shù)需要根據(jù)機(jī)身載荷和結(jié)構(gòu)布置的變化進(jìn)行更改[2-5]。

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

本文針對(duì)機(jī)身壁板中蒙皮和長(zhǎng)桁布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，設(shè)計(jì)加工了3類不同構(gòu)型的試件和試驗(yàn)裝置，并完成了驗(yàn)證試驗(yàn)。應(yīng)用工程算法對(duì)機(jī)身蒙皮初始屈曲載荷和屈曲破壞載荷進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。本研究所得的結(jié)論為機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)中蒙皮和長(zhǎng)桁的設(shè)計(jì)提供了一定的試驗(yàn)依據(jù)。

2 研究現(xiàn)狀

針對(duì)機(jī)身壁板剪切試驗(yàn)方法的研究一直受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視，其核心是試驗(yàn)裝置和載荷施加。目前，國(guó)內(nèi)比較成功的機(jī)身壁板剪切裝置是臧偉峰等[7]設(shè)計(jì)的“D”形盒，見圖1(a)。該方法采用“D”夾具和弓形角盒模擬機(jī)身圓筒結(jié)構(gòu)，能較好地模擬機(jī)身實(shí)際受力情況。該裝置已成功應(yīng)用于民用飛機(jī)機(jī)身壁板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。國(guó)外有代表性的試驗(yàn)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(zhuǎn)的方式施加剪切載荷，可施加載荷2720kN，試件兩端設(shè)計(jì)有足夠長(zhǎng)的過渡段和加載段。

(a)“D”夾具

(b)COLTS圖1 機(jī)身壁板剪切試驗(yàn)現(xiàn)狀

3 工程算法

3.1 屈曲載荷計(jì)算

機(jī)身壁板在剪切載荷作用下發(fā)生屈曲后，以對(duì)角張力的形式繼續(xù)承載。曲板張力場(chǎng)結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用是機(jī)身蒙皮壁板，張力場(chǎng)理論是根據(jù)一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)、半理論的工程方法實(shí)現(xiàn)的，其設(shè)計(jì)計(jì)算的要點(diǎn)是計(jì)算蒙皮屈曲后的張力對(duì)桁條和隔框的附加力及其引起的附加應(yīng)力[1]。曲板在純剪載荷下的屈曲應(yīng)力τcr可由下式計(jì)算：

(1)

其中：

(2)

式中，h為長(zhǎng)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(jiǎn)支曲板的剪切屈曲系數(shù)[1]。

3.2 破壞載荷計(jì)算

曲板中的張力場(chǎng)角，與曲板、隔框、長(zhǎng)桁中的應(yīng)力、應(yīng)變有關(guān)，張力場(chǎng)在曲板、隔框和長(zhǎng)桁中引起的應(yīng)力、應(yīng)變可用下列公式計(jì)算。

長(zhǎng)桁中由張力場(chǎng)引起的應(yīng)變?chǔ)舠t為：

(3)

隔框中的應(yīng)變?chǔ)舝g為：

(4)

蒙皮的應(yīng)變?chǔ)艦椋?/p>

(5)

曲板張力場(chǎng)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(zhǎng)桁材料的彈性模量；Erg為隔框材料的彈性模量；Ast為長(zhǎng)桁剖面面積；Arg為隔框剖面面積；當(dāng)無壓扭復(fù)合載荷時(shí)Rs取為1。

長(zhǎng)桁和框?qū)?yīng)力的影響量：

(7)

機(jī)身壁板許用應(yīng)力：

(8)

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試件

試件由上下兩塊壁板和側(cè)梁組成，每塊壁板包括6個(gè)長(zhǎng)桁間距和4個(gè)框距。試件壁板兩側(cè)均用金屬板加強(qiáng)，用于試驗(yàn)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(hào)：①兩邊側(cè)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(zhǎng)桁：7075-T73511的擠壓長(zhǎng)桁，7075-T62的鈑彎長(zhǎng)桁。試件按蒙皮的厚度及半徑、長(zhǎng)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(zhǎng)桁和框結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖2 剪切穩(wěn)定性試件示意圖

圖3 長(zhǎng)桁和框結(jié)構(gòu)示意圖

表1 試件主要尺寸

4.2 試驗(yàn)裝置和載荷施加

本文參照NASA開發(fā)的COLTS試驗(yàn)裝置(該裝置曾成功應(yīng)用于某支線飛機(jī)機(jī)身壁板剪切試驗(yàn))，分別在試驗(yàn)件的兩端設(shè)計(jì)支持盒段和加載盒段，盒段由兩塊機(jī)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(yàn)件相連接，并設(shè)計(jì)上下拉板，連接于加載盒段兩端槽型梁上。試驗(yàn)中，對(duì)上拉板施加拉伸載荷，對(duì)下拉板施加壓縮載荷，采用逐級(jí)加載方式，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)加載盒段的目的。同時(shí)設(shè)計(jì)定位軸，使加載盒段圍繞定位軸旋轉(zhuǎn)，而不對(duì)試件產(chǎn)生附加彎矩。具體試驗(yàn)裝配如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝配示意圖

每個(gè)試件在考核區(qū)格子中心位置的蒙皮內(nèi)外側(cè)各布置5個(gè)應(yīng)變花(如圖5所示)，內(nèi)側(cè)應(yīng)變花編號(hào)為n1#～n5#，外側(cè)應(yīng)變花位置與之對(duì)應(yīng)，背靠背粘貼，方向相同，編號(hào)為w1#～w5#。

圖5 蒙皮應(yīng)變花布置

5 結(jié)果分析與比較

5.1 屈曲破壞

分別對(duì)3組試件進(jìn)行了剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yīng)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(duì)比

(a)第一組

(b)第二組

(c)第三組圖7 蒙皮載荷-應(yīng)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(jìn)入張力場(chǎng)。在張力場(chǎng)起始階段，長(zhǎng)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(gè)波變成兩個(gè)或者三個(gè)波，載荷向試件的主張力線上集中，試件進(jìn)入塑性屈曲，見圖8(c)。隨著載荷繼續(xù)增大，屈曲波穿越長(zhǎng)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(jī)身壁板試件的變形過程及其破壞模式基本相同。

5.3 結(jié)果比較

利用本文前面給出的公式，對(duì)3組試件初始屈曲載荷和屈曲破壞載荷進(jìn)行計(jì)算，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(jié)果比對(duì)可以看出，蒙皮厚度變化對(duì)機(jī)身蒙皮剪切屈曲有較大的影響；通過第二組和第三組結(jié)果對(duì)比可知，長(zhǎng)桁間距對(duì)機(jī)身蒙皮剪切屈曲有一定影響。試驗(yàn)結(jié)果與工程算法結(jié)果對(duì)比偏大，原因有兩點(diǎn)：(1)工程算法為保證設(shè)計(jì)裕度，計(jì)算偏保守；(2)機(jī)身壁板試件蒙皮在長(zhǎng)桁和框格子里經(jīng)過銑削加工后變薄，導(dǎo)致承受剪切載荷能力變?nèi)酢?/p>

6 結(jié) 論

由以上分析，可得出如下結(jié)論：

(1)蒙皮厚度對(duì)機(jī)身蒙皮剪切屈曲有較大影響，長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)身蒙皮剪切屈曲影響不大，長(zhǎng)桁間距對(duì)蒙皮剪切屈曲有一定影響。

(2)試驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了工程算法，同時(shí)為機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)中蒙皮、長(zhǎng)桁和框的設(shè)計(jì)提供了一定的試驗(yàn)依據(jù)。