CN104330253B - 一种加筋壁板损伤容限特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加筋壁板损伤容限特性分析方法，步骤为：首先选取典型截面位置对加筋壁板结构进行评估，确定影响因素；应用工程方法求取基本加筋影响系数β_加筋；应用工程方法求取结构鼓胀影响系数β_鼓胀；引入载荷影响系数，采用试验数据修正β载荷；分别计算得到每一个裂纹长度相应的应力强度因子：结合裂纹扩展分析、剩余强度分析，完成整个加筋壁板的损伤容限分析过程。本发明对于飞机加筋壁板的损伤容限特性的分析，提供了一种详细的、准确的、快速的计算方法，填补了目前国内对于该领域在实际应用中的空白。具有实际应用的前景。

Description

一种加筋壁板损伤容限特性分析方法

技术领域

本发明涉及一种加筋壁板损伤容限特性分析方法，属于结构损伤容限设计领域。

背景技术

在航空设计领域，现代大型运输机大都采用损伤容限设计理念进行设计，而在整个损伤容限分析中，机身、机翼蒙皮壁板损伤容限分析在整个损伤容限分析中占有极其重要地位，但是其分析难度高、工作量大，计算时间久，且由于分析结果的不可靠性，大多需要单独的研发或相关试验进行验证。同时国内在大型运输机设计方面还处于初期阶段，损伤容限分析方面还远未成熟，只能够进行简单的加筋分析。目前国内对于加筋壁板的损伤容限没有提供详细的分析方法或者运算工具，其分析仅仅是从一些设计手册中查找图表，而这些图表只是特定结构的结果，无法考虑实际结构在几何构型、加载情况或者加工工艺等发生的变化，其分析结果的完整性及可靠性远远不足，而从保守的角度设计角度出发，又导致了飞机结构的厚重从而带来了设计成本的增加。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法的不足，提供一种快速、准确的加筋壁板损伤容限评估方法。本方法在设计初期及后期均有着广泛的应用空间，可以极大的提高分析的准确性，从损伤容限的角度保证飞机服役安全。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种加筋壁板损伤容限特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：选取典型截面位置对加筋壁板结构进行评估，确定影响因素；

其中，所述的截面位置：包括典型的剖面位置及除开口和连接结构外的具有代表性的蒙皮曲率的结构位置，具体为：机身顶部、底部、左右两侧；影响因素包括，几何特性——即筋条对于蒙皮上裂纹扩展的作用、鼓胀效应及载荷因素；

步骤二：应用工程方法求取基本加筋影响系数β_加筋；

具体过程如下：

将加筋板结构分为无筋条的壁板和筋条两部分，其中壁板受到单轴的拉应力即垂直于裂纹方向，以及一系列的钉载，筋条受到的是紧固件载荷的反作用力；该壁板可视为三种构型的叠加，包括：①受到均匀拉应力的有裂纹的板；②施加集中力，即钉载，但不包含裂纹的板；③考虑裂纹表面受到的分布载荷的板；

所述的第①个构型的应力强度因子计算公式为：

第②个构型的应力强度因子计算公式为：

K＝0

第③个构型的应力强度因子计算公式为：

其中，

其中，B为板厚，σ为拉应力，a为半裂纹长度，s为筋件间距的一半，y₀为筋条上紧固件间距，ν为裂纹区沿载荷方向位移，F为钉载，x为裂纹中心到裂尖距离；式中参数见图4；

当钉载F已知时，基于位移协调法，可以得到筋条的载荷集中系数Ls以及筋条影响系数β_加筋，即加筋板的应力强度因子与未加筋板的应力强度因子之比：

其中F_max为附加紧固件载荷后筋条上最大拉伸载荷，F_∞为无裂纹情况下筋条上载荷，A_s为筋条面积；

筋条上的应力可由下式得到：

σ_筋条＝L_Sσ；

F₁+F₂…+F_j＝(L_s-1)*σ*A_s

其中F_j代表加筋件上裂纹一侧各紧固件载荷，j取值一般小于等于7，筋条的刚度对于β_加筋和L_s的数值有较明显的影响；

步骤三：应用工程方法求取结构鼓胀影响系数β_鼓胀；

具体过程如下：

鼓胀系数仅仅是在增压情况时有曲率半径的蒙皮壁板上的纵向裂纹有影响，计算过程基于如下公式；

一跨裂纹时的计算公式：

两跨裂纹时筋条完整的计算公式：

两跨裂纹时中间筋条断裂的计算公式：

其中，c：半裂纹长度；R：曲率半径；L：筋条间距；Z：阻尼系数，即，位于筋条位置处的鼓胀与筋条之间全部鼓胀的比值；w：两筋条中点到裂纹尖端的距离；

步骤四：引入载荷影响系数，采用试验数据修正β_载荷，

其修正公式为：

β_载荷＝1.6138*(a/L)⁶-5.1836*(a/L)⁵+6.4747*(a/L)⁴

-3.8982*(a/L)³+0.7567*(a/L)²+0.338*(a/L)+0.8256

其中，a为半裂纹长度，L为筋条间距；

步骤五：根据前述步骤，分别计算得到每一个裂纹长度相应的应力强度因子：结合裂纹扩展分析、剩余强度分析，完成整个加筋壁板的损伤容限分析过程。

本发明的有益的效果：

本发明对于飞机加筋壁板的损伤容限特性的分析，提供了一种详细的、准确的、快速的计算方法，填补了目前国内对于该领域在实际应用中的空白，目前国内对于飞机加筋壁板的损伤容限特性的分析仅仅依靠现有的设计手册中单一特定构型的图表进行查询，而对于实际结构的几何、载荷及加工工艺的变化无法体现，没有系统的对于该结构损伤容限分析的方法及计算工具，而这正是本发明方法具备的特点；本发明方法可以在设计初期进行结构方案评估，避免后期工作中的概念更改；也可在设计的中后期对结构进行损伤容限分析以及试验设计，提高结构安全性以及大量降低试验数量，极大的节约项目设计成本。通过经验公式及试验数据修正影响系数，例如载荷影响系数，可以使得原有工程分析方法更加精确，解决工程方法无法完全反应真实细节，只能将结构模型进一步简化而导致分析结果精度过低的问题；通过引入试验数据修正载荷系数，解决原有工程算法对特殊结构的影响系数无法真实求取的问题，如筋条结构对化铣蒙皮处应力水平的影响，工程方法近似的认为在两个筋条之间的蒙皮应力是不变的，其值为该区域的最大应力水平，而实际结构中，这种假设是保守的，越靠近筋条蒙皮上的应力越小。从而在实际分析中，免去了不必要的保守因素，使得计算结果与实际结果更加吻合；通过工程算法与经验公式及试验数据相结合，大大的提高了分析的精度及分析速度，极大的减少试验件数量，节约设计成本。通过本方法很容易得到典型位置的加筋壁板损伤容限特性的分析结果。而一般民用飞机通常包含大面积的加筋壁板结构，因此对其他位置的相似结构，只需更改几何构型等必要的输入参数，即可应用该分析结果对相似结构的损伤容限特性进行快速、准确的分析。经实践证明，该方法具有实际应用的前景。

附图说明

图1是建立细节模型选取的一组典型位置示意图，图中，包括顶部1L-1R长桁区域、上中部8L-9L长桁区域、与地板梁连接附近位置19L-20L及21L-22L长桁区域以及底部36L-36R长桁区域分别建立细节模型进行分析。

图2选取图1中部分区域进行分析的状态图。

图3是有裂纹的壁板的应力强度因子分解示意图。

图4是筋条对于蒙皮上裂纹扩展的影响的工程算法原理图。

图5是加筋系数随半裂纹尺寸变化曲线图。

图6是膨胀系数随半裂纹尺寸变化曲线图。

图7是应力分布系数随半裂纹尺寸变化曲线图。

图8是应力强度因子随半裂纹尺寸变化曲线图。

图9是修正后的工程算法和试验结果的裂纹扩展曲线对比图。

具体实施方式

以某飞机机身蒙皮壁板的损伤容限分析为例，说明对典型机身蒙皮加筋壁板的损伤容限分析方法的内容和步骤，附图均取自该部段分析计算结果，此分析方法全部采用本发明方法。

下面结合附图，对本发明具体实现过程作进一步详细描述。具体步骤描述过程以某飞机机身壁板纵向裂纹损伤容限分析为例。其基本实现过程如下：

步骤一：选取典型截面位置对加筋壁板结构进行评估，确定影响因素，如图1、2所示；

其中，所述的截面位置：包括典型的剖面位置及除开口和连接结构外的具有代表性的蒙皮曲率的结构位置，具体为：机身顶部、底部、左右两侧；影响因素包括，几何特性——即筋条对于蒙皮上裂纹扩展的作用、鼓胀效应及载荷因素；

步骤二：应用工程方法求取基本加筋影响系数β_加筋；

具体过程如下：

一般情况下，受到不均匀载荷的壁板上有裂纹的应力强度因子等于没有裂纹的板上在裂纹处施加局部应力的应力强度因子，即如图3(a)和(b)所示，Ka＝Kb；同时这种情况又可以将壁板分为图3(d)和(e)两者应力强度因子叠加的结果，即等把远端载荷和局部载荷分为两个模型，Ka＝Kb＝Kd+Ke。对于实际加筋壁板来说，可以将加筋板结构分为无筋条的壁板和筋条两部分，其中壁板结构又可以按照上述情况继续细分，考虑到钉载的作用，将其分为三部分，包括：①受到均匀拉应力的有裂纹的板；②施加集中力，即钉载，但不包含裂纹的板；③考虑裂纹表面受到的分布载荷的板。筋条受到的是紧固件载荷的反作用力，如图4所示。

所述的第①个构型的应力强度因子计算公式为：

第②个构型的应力强度因子计算公式为：

K＝0

第③个构型的应力强度因子计算公式为：

其中，

其中，B为板厚，σ为拉应力，a为半裂纹长度，s为筋件间距的一半，y₀为筋条上紧固件间距，ν为裂纹区沿载荷方向位移，F为钉载，x为裂纹中心到裂尖距离；式中参数见图4；

当钉载F已知时，基于位移协调法，可以得到筋条的载荷集中系数Ls以及筋条影响系数β_加筋，即加筋板的应力强度因子与未加筋板的应力强度因子之比：

其中F_max为附加紧固件载荷后筋条上最大拉伸载荷，F_∞为无裂纹情况下筋条上载荷，A_s为筋条面积；

筋条上的应力可由下式得到：

σ_筋条＝L_Sσ；

F₁+F₂…+F_j＝(L_s-1)*σ*A_s

其中F_j代表加筋件上裂纹一侧各紧固件载荷，j取值一般小于等于7，筋条的刚度对于β_加筋和L_s的数值有较明显的影响；

上述数据为该工程算法计算结果，其中第一列数据为裂纹长度，第三列数据为对应的β_加筋，其余分别为应力强度因子以及筋条受到的应力及钉载。计算结果曲线如图5所示。

步骤三：应用工程方法求取结构鼓胀影响系数β_鼓胀；

具体过程如下：

鼓胀系数仅仅是在增压情况时有曲率半径的蒙皮壁板上的纵向裂纹有影响，计算过程基于如下公式；

一跨裂纹时的计算公式：

两跨裂纹时筋条完整的计算公式：

两跨裂纹时中间筋条断裂的计算公式：

其中，c：半裂纹长度；R：曲率半径；L：筋条间距；Z：阻尼系数，即，位于筋条位置处的鼓胀与筋条之间全部鼓胀的比值；w：两筋条中点到裂纹尖端的距离；

其计算结果如图6所示。

步骤四：引入载荷影响系数，引入试验数据修正β_载荷，如图7所示。

其修正公式为：

β_载荷＝1.6138*(a/L)⁶-5.1836*(a/L)⁵+6.4747*(a/L)⁴

-3.8982*(a/L)³+0.7567*(a/L)²+0.338*(a/L)+0.8256

其中，a为半裂纹长度，L为筋条间距；

步骤五：根据前述步骤，得到修正后的应力强度因子，如图8所示。

通过上述发明方法得到每一个裂纹长度对应的应力强度因子后，即可继续进行裂纹扩展分析以及剩余强度分析，来完成整个结构的损伤容限分析。

本方法考虑了加筋的影响、鼓胀效应以及试验数据修正后的载荷分布，对于壁板结构的损伤容限分析来说，考虑全面且精度很高，可以快速并准确的得到分析结果，与试验结果吻合较好，误差控制在30％以内，如图9所示。

以上所述仅是本发明的实现方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种加筋壁板损伤容限特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：选取典型截面位置对加筋壁板结构进行评估，确定影响因素；

其中，所述的截面位置：包括典型的剖面位置及除开口和连接结构外的具有代表性的蒙皮曲率的结构位置，具体为：机身顶部、底部、左右两侧；影响因素包括，几何特性——即筋条对于蒙皮上裂纹扩展的作用、鼓胀效应及载荷因素；

步骤二：应用工程方法求取基本加筋影响系数β_加筋；

具体过程如下：

将加筋板结构分为无筋条的壁板和筋条两部分，其中壁板受到单轴的拉应力即垂直于裂纹方向，以及一系列的钉载，筋条受到的是紧固件载荷的反作用力；该壁板可视为三种构型的叠加，包括：①受到均匀拉应力的有裂纹的板；②施加集中力，即钉载，但不包含裂纹的板；③考虑裂纹表面受到的分布载荷的板；

所述的第①个构型的应力强度因子计算公式为：

$K_{\mathrm{\σ}}=\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\π}a}$

第②个构型的应力强度因子计算公式为：

K＝0

第③个构型的应力强度因子计算公式为：

$K_F=\frac{-2\sqrt{\mathrm{\π}a}}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^a\frac{p\left(x\right)dx}{\sqrt{a^2-x^2}}$

其中，

$\begin{array}{c}p\left(x\right)=\frac{{\mathrm{Fy}}_0}{\mathrm{\π}B\[y_0^2+{(x-s)}^2\]}\[\frac{3+v}{2}-(1+v)\frac{{(x-s)}^2}{y_0^2+{(x-s)}^2}\]+\\ \frac{{\mathrm{Fy}}_0}{\mathrm{\π}B\[y_0^2+{(x+s)}^2\]}\[\frac{3+v}{2}-(1+v)\frac{{(x+s)}^2}{y_0^2+{(x+s)}^2}\]\end{array}$

其中，B为板厚，σ为拉应力，a为半裂纹长度，s为筋件间距的一半，y₀为筋条上紧固件间距，ν为裂纹区沿载荷方向位移，F为钉载，x为裂纹中心到裂尖距离；

当钉载F已知时，基于位移协调法，可以得到筋条的载荷集中系数Ls以及筋条影响系数β_加筋，即加筋板的应力强度因子与未加筋板的应力强度因子之比：

其中F_max为附加紧固件载荷后筋条上最大拉伸载荷，F_∞为无裂纹情况下筋条上载荷，A_s为筋条面积；

筋条上的应力可由下式得到：

σ_筋条＝L_Sσ；

F₁+F₂…+F_j＝(L_s-1)*σ*A_s

其中F_j代表加筋件上裂纹一侧各紧固件载荷，筋条的刚度对于β_加筋和L_s的数值有较明显的影响；

步骤三：应用工程方法求取结构鼓胀影响系数β_鼓胀；

具体过程如下：

鼓胀系数仅仅是在增压情况时有曲率半径的蒙皮壁板上的纵向裂纹有影响，计算过程基于如下公式；

一跨裂纹时的计算公式：

两跨裂纹时筋条完整的计算公式：

两跨裂纹时中间筋条断裂的计算公式：

其中，c：半裂纹长度；R：曲率半径；L：筋条间距；Z：阻尼系数，即，位于筋条位置处的鼓胀与筋条之间全部鼓胀的比值；w：两筋条中点到裂纹尖端的距离；

步骤四：引入载荷影响系数，引入试验数据修正β_载荷，

其修正公式为：

β_载荷＝1.6138*(a/L)⁶-5.1836*(a/L)⁵+6.4747*(a/L)⁴

-3.8982*(a/L)³+0.7567*(a/L)²+0.338*(a/L)+0.8256

其中，a为半裂纹长度，L为筋条间距；

步骤五：根据前述步骤，分别计算得到每一个裂纹长度相应的应力强度因子：结合裂纹扩展分析、剩余强度分析，完成整个加筋壁板的损伤容限分析过程。