CN111274670A - 一种钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空材料承载能力试验技术领域，特别涉及一种钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，包括如下步骤：获取包括型材、腹板的材料和规格、连接形式；获取纵向、横向型材间距，纵向型材的截面结构参数、腹板厚度；形成多种组合壁板试验件；对每一种组合类型进行以稳定性为中心的刚度匹配优化设计；得到轴压壁板试验件主元件结构参数，完成对轴压壁板试验件考核区的设计；完成轴压壁板试验件的设计；获取试验载荷进行试验。本申请的轴压承载能力试验设计方法，能够从原理上更加符合机体结构的实际设计方法，从应用层面上更具有普遍适用性，得到试验件的屈曲和破坏载荷等承载能力试验结果。

Description

一种钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法

技术领域

本申请属于航空材料承载能力试验技术领域，特别涉及一种钛合金 型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法。

背景技术

钛合金薄壁精密型材由于是一种近终形半成品，具有较高的材料利 用率，可降低零件制造成本，提高生产效率，解决薄壁零件机加变形难 以控制等问题，是飞机用材中不可缺少的主要品种之一。

目前，我国飞机大量选用了进口钛合金薄壁型材，主要以钛合金型 材组合壁板形式应用在发动机舱、起落架舱、尾梁、机尾罩、空调系统、 防火系统等飞机各部位，单机用量大、品种多、用途广。

为实现钛合金型材材料国产化项目，逐步提高国产钛合金型材制造、 加工技术成熟度等级并推广应用，按GJB/Z 173.4-2014对技术成熟度的 评价要求以及GJB 7688-2012对技术成熟度的等级定义，应针对实际使用 要求，完成技术的工程化样品(试片级)/零件(零件级组合模块)/功能 模块(部件级典型件或能体现结构使用特征的典型模拟件)等典型模拟 或使用环境验证，实现国产型材在装机部件上的替换以及未来新型号的 工程化应用，需要逐步开展作为典型部件级结构钛合金型材组合壁板在 各类典型载荷下的承载能力地面验证试验设计，而目前尚无钛合金型材 组合壁板在轴压载荷作用下的承载能力试验设计方法。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种钛合金型材组 合壁板轴压承载能力试验设计方法。

本申请公开了一种钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法， 其中，包括壁板试验件，所述壁板试验件的主元件包括筋条元件、壁板 蒙皮元件，包括如下步骤：

步骤一、获取第一参数组，所述第一参数组包括构成筋条元件的型 材的不同材料和规格，以及构成壁板蒙皮元件的腹板的不同材料和规格， 以及型材和腹板之间不同的连接形式；

步骤二、获取第二参数组，所述第二参数组包括筋条元件中纵向型 材之间的不同间距、横向型材之间的不同间距；以及不同纵向型材的截 面结构参数；以及壁板蒙皮元件中腹板不同厚度；

步骤三、根据第一参数组和第二参数组进行组合，形成多种组合壁 板试验件；

步骤四、以壁板试验件在轴压载荷下的结构稳定性设计要求为主要 设计约束，通过迭代计算，对每一种组合类型壁板试验件的主元件参数 组合进行以稳定性为中心的刚度匹配优化设计；

步骤五、使壁板试验件结构在

前提下，在同等重量水平 下

达到最大化，以完成壁板试验件轴压稳定性设计，得到轴压壁板 试验件主元件结构参数；其中，σ_cr为壁板试验件的临界屈服应力，

为 壁板试验件的许用压缩破坏强度

为壁板试验件的发实际压损破坏强度；

步骤六、结合工程实际对轴压壁板试验件进行总体构型、边界设计 和夹持区设计，以完成轴压壁板试验件的设计；

步骤七、获取针对所述轴压壁板试验件的试验载荷，进行所述轴压 壁板试验件轴压载荷承载能力验证试验。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤一和步骤二中的材料包 括钛合金TA15、钛合金TC2。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤一中，所述型材和腹板 之间不同的连接形式包括点焊连接、铆接、激光焊、氩弧焊。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤二中，不同纵向型材的 截面结构参数包括筋条间距、蒙皮厚度、筋条腹板厚度、筋条连接边厚 度、筋条腹板宽度、筋条连接边计算宽度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤六中，对轴压壁板试验 件进行总体构型包括：

在考核区设置偶数根筋条，设置对应筋条间距的蒙皮宽度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述筋条的数量为4根，以及设置 3个筋条间距的考核区蒙皮宽度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤六中，对轴压壁板试验 件进行边界设计包括：

在考核区按铰支连接设计，在考核区蒙皮横向边界沿轴向设计采用 典型连接方式的型材筋条，形成纵向铰支边界，在考核区纵向边界设置 单排铆接隔框，形成横向铰支边界，以完成考核区边界条件设计。

根据本申请的至少一个实施方式，在考核区上、下边界设置钣弯隔 框，并用角片与筋条连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤六中，对轴压壁板试验 件进行夹持区设计包括：

轴压壁板试验件蒙皮厚度比考核区蒙皮厚度大0.5mm～1mm，在加载 边增加钛补强板或钢补强板，同时，相邻加载边的长度和宽度相等。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，以稳定 性工程计算理论为基础，设计钛合金型材组合壁板轴压载荷承载能力验 证试验件，相比较传统的典型结构参数映射设计方法，本申请能够从原 理上更加符合机体结构的实际设计方法，从应用层面上更具有普遍适用 性，得到试验件的屈曲和破坏载荷等承载能力试验结果；另外，本申请 的试验设计方法同时考虑了成本控制因素，基于现有工程计算理论的特 点又能够保证方法的合理性、适用性和可靠性，应用范围广泛，具有很 高的可实现性及工程应用价值。

附图说明

图1是本申请钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法中加 筋组合壁板轴压载荷稳定性计算单元示意图；

图2是钛合金型材组合壁板轴压试验件结构形式示意图(以型材点 焊连接形式为例)；

图3是钛合金型材组合壁板轴压试验件结构形式正视图(以型材点 焊连接形式为例)；

图4是图3中A-A剖视图；

图5是一具体实例中典型结构件的等轴视图(局部)；

图6是一具体实例中典型结构件的俯视图(局部)；

图7是另一具体实例中典型结构件的等轴视图(局部)；

图8是另一具体实例中典型结构件的俯视图(局部)。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描 述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具 有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而 不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在 用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施 例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例 进行详细说明。

本申请的目的是提出的一种全新的钛合金型材组合加筋壁板在轴压 载荷下的承载能力验证试验设计方法，重点和核心在于试验件构型设计 的方法创新。

其主要的创新点为：

由于在现代飞机设计规范中对于壁板类零件的主要强度、刚度设计 要求为限制在使用载荷(67％)下结构不允许发生局部屈曲，因此可用的 加筋板压缩强度

受到1.5倍临界屈服应力σ_cr的限制，往往使

小于 加筋板实际可达到的压缩破坏强度

不能充分发挥结构潜力，因此在 飞机结构设计中需要调整壁板结构的结构参数，保证

而对 于机体结构中的薄壁组合加筋壁板，其作为主要承受中等及以下应力水 平、以稳定性为主要设计要求的典型结构，在机体整个受力系统中所承 受的载荷多为轴压和轴压复合载荷形式，而为提高结构效率，在压-剪复 合作用下的薄壁加筋组合壁板机体结构在设计时均为以轴压载荷为首要 设计要求，对轴压载荷在复合状态下进行校核并根据实际情况调整结构 参数；

故根据飞机壁板实际结构件的上述设计原则，创新性的提“以稳定 性为中心的壁板结构主元件刚度匹配结构参数设计”的试验件主要结构 参数设计方法：以壁板结构在轴压载荷下的结构稳定性设计要求为主要 设计约束，对壁板试验件结构主元件进行刚度匹配，在相同重量水平下 尽量提高壁板结构件的临界屈服应力σ_cr，进而使壁板结构件的许用压缩 破坏强度

最大化，逼近壁板结构件的实际压损破坏强度

使结构 效率最大化，这样，就将壁板试验件设计从简单的实际结构参数映射设 计转变为按实际结构设计方法和设计思路对试验件进行设计，使用该方 法进行设计的试验件得到的验证结果是对设计原理的验证，对于不同材 料、不同连接方案的具有普遍适用性，从原理上更加合理。

下面结合附图1-图8对本申请的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试 验设计方法做进一步详细说明。

申请公开了一种钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法， 其中，包括壁板试验件；壁板试验件的主元件包括筋条元件、壁板蒙皮 元件；其中，试验设计方法包括如下步骤：

步骤一、获取第一参数组，所述第一参数组包括构成筋条元件的型 材的不同材料和规格，以及构成壁板蒙皮元件的腹板的不同材料和规格， 以及型材和腹板之间不同的连接形式。

需要说明的是，试验件设计的第一步，应收集原始资料，分析整理 在实际机体结构中的应用形式和受力形式，根据加筋组合壁板承受中等 或较弱应力水平、以稳定性为主要设计要求的结构特点，选取以发挥型 材在轴向提高结构组件整体稳定性水平的典型规格作为验证对象，综合 考虑材料、加工能力覆盖、试验效费比等因素，对型材规格进行优选。

步骤二、获取第二参数组，所述第二参数组包括筋条元件中纵向型 材之间的不同间距、横向型材之间的不同间距；以及不同纵向型材的截 面结构参数；以及壁板蒙皮元件中腹板不同厚度。

其中，结构稳定性是飞机结构设计中最重要的问题之一，因为薄壁 结构的静强度破坏中很大一部分是由于丧失稳定性所引起的。以机体结 构为分析对象，壁板构成了机身的外壳，是机身最重要的组合件之一。 蒙皮、口盖、普通框、长桁都包括在其中。几乎作用于机身的所有载荷 都要通过壁板来传递。对于现代军机机体结构，除机翼结构壁板等多用金属机加整体壁板或复材整体壁板以承受较高水平的轴向拉伸载荷外， 机身结构壁板以加筋组合壁板形式为主。

根据稳定性工程计算理论，影响加筋壁板轴压稳定性的关键和决定 性因素为壁板蒙皮元件和纵向筋条元件的材料和截面结构参数，这两种 主要元件的结构参数组合决定了加筋组合壁板结构的稳定性品质和设计 合理性，除材料参数外，影响加筋壁板轴压稳定性的主要结构参数为纵 向及横向构件的间距、腹板厚度以及纵向构件截面结构参数；在加筋壁 板的轴压和剪切稳定性工程理论计算分析中的基本计算单元就是以筋条 间距为有效宽度的蒙皮与筋条截面尺寸的连接元件为分析对象，除壁板 有效长度外，计算单元截面结构参数基本包含了影响壁板结构稳定性的 全部结构参数，如图1所示为蒙皮与筋条组合连接元件的计算单元截面示 意图，图1中所涉及的结构参数有：

b_s——筋条间距；

t_s——蒙皮厚度；

t₂——筋条腹板厚度；

t₁——筋条连接边厚度；

h(b_w)——筋条腹板宽度；

d——筋条连接边计算宽度。

步骤三、根据第一参数组和第二参数组进行组合，形成多种组合壁 板试验件。

步骤四、以壁板试验件在轴压载荷下的结构稳定性设计要求为主要 设计约束，按上述计算单元模型，通过迭代计算，对每一种组合类型壁 板试验件的主元件参数组合进行以稳定性为中心的刚度匹配优化设计。 具体地，是根据优选出的型材规格，调整蒙皮与型材的截面结构参数、 壁板试验件的有效长度，进行轴压稳定性、剪切稳定性迭代计算。

步骤五、使壁板试验件结构在

前提下，在同等重量水平 下

达到最大化，以完成壁板试验件轴压稳定性设计，得到轴压壁板 试验件主元件结构参数和有效长度，完成壁板试验件的主要参数设计， 以及完成对轴压壁板试验件考核区的设计。

根据稳定性计算理论和工程实际，组合加筋壁板构件的材料参数以 及相互的连接形式也是影响组合加筋壁板轴压、剪切稳定性的重要因素， 在选取试验件典型结构结构参数后，需要结合结构总体方案规划，选取 不同的典型钛合金型材和蒙皮材料(TA15、TC2等)参数、典型壁板零 件装配工艺(点焊连接、铆接、激光焊、氩弧焊等)与典型的结构参数进行合理组合，形成钛合金型材组合壁板轴压载荷承载能力验证试验总 体方案。

步骤六、实际上在完成试验件(即轴压壁板试验件)主元件的选型 和选参设计后，就已完成了试验件考核区的设计内容，此时需要结合工 程实际对轴压壁板试验件进行总体构型、边界设计和夹持区设计，以完 成轴压壁板试验件的设计。

为使试验件的验证更加合理，验证效果具有普遍适用性，对于试验 件构型进行如下设计：

1)总体构型：由于中长桁的组合壁板在计算上具有特殊性，因此为 能够充分验证不同计算单元之间稳定性的相互影响，同时使验证效果具 有普遍适用性，需要设置偶数根筋条，4根筋条和3个筋条间距为可以达 到验证效果的最小数量，因此在考核区设置4根筋条和3个筋条间距的考 核区蒙皮宽度；

2)边界条件：由于加筋组合壁板受钣弯薄板厚度和薄壁挤压型材材 料厚度限制，多用于边界为铰支或半铰支形式的中等及以下应力水平机 体结构区域，因此考核区应按铰支连接设计，在考核区蒙皮横向边界(考 核区左/右最外侧)沿轴向设计采用典型连接方式的型材筋条，形成纵向 铰支边界，在考核区纵向边界(考核区上/下最外侧)设置单排铆接隔框， 形成横向铰支边界，完成考核区边界条件设计。同时，为了排除微小初 始变形和扭转屈曲的不利影响，试验件考核区上/下边界必须设置高度足 够钣弯隔框，并用角片与筋条连接。

3)夹持设计：为了保证加载边和连接强度，同时也为了使考核区成 为薄弱区，排除屈曲提前发生在夹持区，试验件蒙皮需要采用比考核区 蒙皮厚度计算结果厚0.5mm～1mm的薄板，薄板采用化铣工艺形成考核区 蒙皮试验件设计厚度参数，在加载边需要根据试验载荷水平增加钛补强 板或钢补强板。

按照上述设计方法和设计步骤，即可以完成以稳定性为中心的主元 件选型选参加筋壁板试验件设计。如图2～图4所示为采用上述流程所设 计的钛合金型材组合壁板轴压载荷承载能力验证试验件案例示意图，图 中试验件主要包含包含5种零件：钛合金腹板(1个/件)、加强板(2个/ 件，用于保护试验件夹具夹持部位)、纵向长桁(4个/件，相同规格的钛 合金型材)、钛合金隔框(2个/件，横向构件)、钛合金角片(8个/件，纵 横构件连接件)。

步骤七、获取针对所述轴压壁板试验件的试验载荷，进行所述轴压 壁板试验件轴压载荷承载能力验证试验。

由于试验件结构设计是以机体结构稳定性设计原理为设计指导思想， 因此试验载荷不应该局限于机体结构某些典型部位的使用载荷和设计载 荷，而应以试验件本身为研究对象，以主元件选型选参迭代计算结果为 依据，得到试验件本身的预估设计载荷和使用载荷，并在实际试验过程 中，根据试验件的实际失稳载荷和破坏载荷对预估值进行对比，评估设 计参数和试验方案的合理性。

综上，在结构设计领域，国内受限于钛合金挤压型材国产化进程， 尚无完整的以钛合金型材作为纵向构件的钛合金组合壁板在轴压载荷下 的承载能力验证试验设计案例，同时，国内以往的加筋组合壁板试验件 结构参数设计多为采用机体实际结构典型参数映射，而不是从机体结构 设计原理出发进行设计。

而本申请以稳定性工程计算理论为基础，提供了一种以稳定性为中 心的主元件结构参数设计方法，设计钛合金型材组合壁板轴压载荷承载 能力验证试验件，相比较传统的典型结构参数映射设计方法，本申请所 提供的方法从原理上更加符合机体结构的实际设计方法，从应用层面上 更具有普遍适用性，相比以往其他试验件设计方法，采用本文所提供的 试验设计方法，不仅能够得到试验件的屈曲和破坏载荷等承载能力试验 结果，同时能够根据试验结果进行以下研究内容：

1)单元剖面结构参数(板厚、型材截面形状/尺寸)、腹板和型材材 料参数对组合壁板轴压承载能力的影响；

2)不同连接工艺对相同剖面结构参数的“加筋条”计算单元破坏 模式、承载能力的影响；

3)组合单元结构参数、材料参数、连接工艺对工程计算方法中端面 支持系数e、局部压缩屈曲系数kc、加筋条扭转支持系数k0等一系列计 算因子的影响。

另外，本申请所提供的试验设计方法同时考虑了成本控制因素，其 基于现有工程计算理论的特点又能够保证方法的合理性、适用性和可靠 性，应用范围广泛，具有很高的可实现性及工程应用价值。

下面将以一具体实例对本申请的钛合金型材组合壁板轴压承载能力 试验设计方法做进一步说明：

某国产化项目需要在装机前对机体结构壁板类结构件进行考核验证 试验，其中包括较高温度区发动机舱加筋组合壁板在轴压载荷下的承载 能力验证试验，纵向筋条元件为采用的新工艺生产的国产钛合金型材， 故需要设计钛合金组合加筋板试验。以下选取部分试验设计过程和内容 进行说明。

1、对目标装机对象机体结构进行统计分析，部分机体结构如图5～ 图8所示。结合机体结构典型应力水平，以型材结构功能为主要选型依 据，综合考虑工艺能力覆盖、试验验证项目效费比、新工艺所带来的研 制风险等多方面因素，对型材规格进行筛选。对筛选后的型材按不同型 材规格、主元件(蒙皮和筋条)不同材料、不同典型连接方式等方案进行分组，规划试验总体方案。

按统计分析结果，分别选取TA15、TC2钛合金板材作为不同组合类 型中型材和腹板材料，分别选取点焊、铆接、氩弧焊、激光焊作为不同 组合类型中型材与腹板的连接形式，与典型结构参数进行再次组合，得 到的试验总体方案如表1所：

表1试验总体方案

2、按照本申请技术方案中的设计方法，通过迭代计算的方式，对试 验总体方案所规划的每一种组合类型试验件的主元件结构参数组合进行 以稳定性为中心的刚度匹配优化设计。主元件结构参数组合的主要类型 如表2所示，表中型材截面尺寸规格类型用数字代号表示。

表2典型结构参数组合表

3、通过对结构件截面几何特性中的结构参数进行迭代计算，不断调 整筋条与腹板的刚度比值EI/bD，并令Ast/(bsts)＞0.4，使加筋条达到最 优刚度比，优化过程的简要计算结果如表3～表7所示。

表3

表4

表5

表6

表7

根据试验件选型选参设计过程的计算结果，得到试验总体方案中每 一个组合类型试验件的预估总体和局部屈曲应力、屈曲模式、有效破坏 强度和破坏载荷，将其作为考核验证依据与试验结果进行对比，验证试 验件结构参数设计的合理性和准确性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此， 本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其中，包括壁板试验件，所述壁板试验件的主元件包括筋条元件、壁板蒙皮元件，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、获取第一参数组，所述第一参数组包括构成筋条元件的型材的不同材料和规格，以及构成壁板蒙皮元件的腹板的不同材料和规格，以及型材和腹板之间不同的连接形式；

步骤二、获取第二参数组，所述第二参数组包括筋条元件中纵向型材之间的不同间距、横向型材之间的不同间距；以及不同纵向型材的截面结构参数；以及壁板蒙皮元件中腹板不同厚度；

步骤三、根据第一参数组和第二参数组进行组合，形成多种组合壁板试验件；

步骤四、以壁板试验件在轴压载荷下的结构稳定性设计要求为主要设计约束，通过迭代计算，对每一种组合类型壁板试验件的主元件参数组合进行以稳定性为中心的刚度匹配优化设计；

步骤五、使壁板试验件结构在

前提下，在同等重量水平下

达到最大化，以完成壁板试验件轴压稳定性设计，得到轴压壁板试验件主元件结构参数，以完成对轴压壁板试验件考核区的设计；其中，σ_cr为壁板试验件的临界屈服应力，

为壁板试验件的许用压缩破坏强度

为壁板试验件的发实际压损破坏强度；

步骤六、结合工程实际对轴压壁板试验件进行总体构型、边界设计和夹持区设计，以完成轴压壁板试验件的设计；

步骤七、获取针对所述轴压壁板试验件的试验载荷，进行所述轴压壁板试验件轴压载荷承载能力验证试验。

2.根据权利要求1所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二中的材料包括钛合金TA15、钛合金TC2。

3.根据权利要求1所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述步骤一中，所述型材和腹板之间不同的连接形式包括点焊连接、铆接、激光焊、氩弧焊。

4.根据权利要求1所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述步骤二中，不同纵向型材的截面结构参数包括筋条间距、蒙皮厚度、筋条腹板厚度、筋条连接边厚度、筋条腹板宽度、筋条连接边计算宽度。

5.根据权利要求1所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述步骤六中，对轴压壁板试验件进行总体构型包括：

在考核区设置偶数根筋条，设置对应筋条间距的蒙皮宽度。

6.根据权利要求5所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述筋条的数量为4根，以及设置3个筋条间距的考核区蒙皮宽度。

7.根据权利要求5所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述步骤六中，对轴压壁板试验件进行边界设计包括：

在考核区按铰支连接设计，在考核区蒙皮横向边界沿轴向设计采用典型连接方式的型材筋条，形成纵向铰支边界，在考核区纵向边界设置单排铆接隔框，形成横向铰支边界，以完成考核区边界条件设计。

8.根据权利要求7所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，在考核区上、下边界设置钣弯隔框，并用角片与筋条连接。

9.根据权利要求5所述的钛合金型材组合壁板轴压承载能力试验设计方法，其特征在于，所述步骤六中，对轴压壁板试验件进行夹持区设计包括：

轴压壁板试验件蒙皮厚度比考核区蒙皮厚度大0.5mm～1mm，在加载边增加钛补强板或钢补强板，同时，相邻加载边的长度和宽度相等。

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