CN112748008A - 一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法；试验件夹持段、缘条斜削段、腹板斜削段及考核段；夹持段为可直接用于试验机加载或固定的水平面；缘条斜削段和腹板斜削段位于夹持段与考核段中间，保证载荷能够均匀传递到梁的三个平面上；考核段与试验件考核部分相连，其结构尺寸和剖面形式飞机工字梁结构一致，以保证能够真实验证其疲劳性能。采用本发明提供的试验件和拉伸疲劳试验方法，可以计算工字形截面梁在拉伸载荷作用的DFR值，为结构设计提供试验依据；解决了目前无法对完整工字梁对接结构试验件进行疲劳试验的技术问题，具体解决了对测试完整工字梁对接结构受拉状态下DFR值的技术问题。

Description

一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法

技术领域

本发明涉及但不限于航空疲劳试验技术领域，涉及一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法。

背景技术

工字梁结构广泛应用于机身框等关键部位，其疲劳性能优劣直接关系到机身结构的疲劳寿命，因此需进行该部位的疲劳试验。

由于工字梁结构相对复杂，现有疲劳试验一般针对工字梁的上、下缘条或者腹板单独设计平板试验件，试验件的形式简单，但这种设计未考虑到工字梁结构中不同部位间的综合影响，同时现代飞机越来越多采用新的工艺例如焊接、增材制造等，因此，提出了对整个工字梁截面进行一体化考核的需求。

发明内容

本发明的目的是：本发明实施例提供一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法，以解决目前无法对完整工字梁对接结构试验件进行疲劳试验的技术问题，具体解决对测试完整工字梁对接结构受拉状态下DFR值的技术问题。

本发明的技术方案是：本发明实施例提供一种工字梁拉伸疲劳试验件，所述工字梁拉伸疲劳试试验件包括：夹持段1、缘条斜削段2、腹板斜削段3和考核段4；

其中，所述考核段4设置为工字梁结构，包括形成工字形截面梁腹板和梁缘条；

所述夹持段1设置为平板结构，所述腹板斜削段3和缘条斜削段2形成的过渡区用于连接夹持段1和考核段4，并作为考核段4到夹持段1的过渡结构。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验件中，所述缘条斜削段2作为考核段4中梁缘条到夹持段1的缘条宽度的过渡；

所述腹板斜削段3作为考核段4中梁腹板到夹持段1的腹板厚度的过渡。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验件中，所述夹持段1长度L和高度h为根据试验机夹头的尺寸所确定的，夹持段1的厚度t为至少3倍的考核段4的厚度t3，即t≥3*t3。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验件中，所述缘条斜削段2厚度t1与实际的工字梁缘条一致，其长L1、高h1及夹角θ满足条件：

其中，θ为缘条斜削段2与考核段4的夹角，t为夹持段1的厚度，w为考核段4的宽度，L1为缘条斜削段2的长度。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验件中，所述腹板斜削段3与考核段4连接位置的厚度t2为考核段4的厚度t3，腹板斜削段3与夹持段1连接位置的厚度t2为考核段夹持段1的厚度t，腹板斜削段3的长度L2满足以下条件：

其中，L2为腹板斜削段3的长度，t2为腹板斜削段3的厚度。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验件中，所述考核段4的剖面尺寸与实际工字梁结构尺寸一致，考核段4的长度L3≥80mm。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验件中，所述疲劳试验件的结构中，各个交界面的倒角大于或等于5mm。

本发明实施例还提供一种工字梁拉伸疲劳试验方法，采用两个如上述中任一项所述的工字梁拉伸疲劳试验件执行所述拉伸疲劳试验方法；

其中，所述两个疲劳试验件以考核段4的端面相对设置，梁缘条和梁腹板相连接；其中，两个疲劳试验件考核段4的连接位置采用与实际飞机结构形式相同的连接方式；

所述工字梁拉伸疲劳试验件中，夹持段1用于试验机的加载；缘条斜削段2、腹板斜削段3用于向考核段4均匀传递三个平面的载荷，并用于减小应力集中。

可选地，如上所述的工字梁拉伸疲劳试验方法中，采用所述试验件测试工字梁对接结构细节疲劳额定值的测试方法，包括：

步骤1，根据工字梁实际结构形式，初步确定工字梁拉伸疲劳试验件的结构形式、试验载荷谱和试验件数量；

步骤2，根据试验件结构形式建立有限元模型进行应力分析，根据分析得到的有限元结果确定用于进行试验的试验件尺寸，保证考核段三个面的应力水平一致，并且保证考核段为结构疲劳薄弱部位，达到考核目的；

步骤3，根据有限元结果及理论计算，对试验件进行应变片的布置，依据应变值变化来进行试验状态监控；

步骤4，通过将两个试验件的夹持段1直接夹持在疲劳试验机上，进行疲劳试验；

步骤5，根据试验结果，进行数据处理，通过标准应力-疲劳寿命曲线方法计算试验件结构细节疲劳额定值。

本发明的优点是：

本发明实施例提供一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法，其中，疲劳试验件包括加持段、缘条斜削段、腹板斜削段及考核段四部分；加持段为可直接用于试验机加载或固定的水平面；缘条斜削段和腹板斜削段位于加持段与考核段中间，保证载荷能够均匀传递到梁的三个平面上；考核段与试验件考核部分相连，其结构尺寸和剖面形式飞机工字梁结构一致，以保证能够真实验证其疲劳性能。本发明的技术方案从工字梁对接结构受力特点出发，从DFR值测试的角度给出了一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法，本发明提供的疲劳试验件及测试方法解决了工字梁在拉伸载荷作用下缘条、腹板一体化试验的难题，保证了结构考核的真实性，可为后续工字梁在不同工艺对接下疲劳试验提供了方法。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种工字梁拉伸疲劳试验件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种工字梁拉伸疲劳试验件的三维结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种工字梁拉伸疲劳试验方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种工字梁拉伸疲劳试验件的结构示意图，图1中的左图为俯视图，右图为正视图。如图1所示，本发明实施例提供的工字梁拉伸疲劳试验件由整体机加而成，可以包括：夹持段1、缘条斜削段2、腹板斜削段3和考核段4。

图2为本发明实施例提供的一种工字梁拉伸疲劳试验件的三维结构示意图。参考图1和图2所示工字梁拉伸疲劳试验件的结构中，考核段4设置为工字梁结构，包括形成工字形截面梁腹板和梁缘条。

该疲劳试验件的夹持段1设置为平板结构，腹板斜削段3和缘条斜削段2形成的过渡区用于连接夹持段1和考核段4，并作为考核段4到夹持段1的过渡结构。

实际应用中，本发明实施例提供的疲劳试验件中，缘条斜削段2作为考核段4中梁缘条到夹持段1的缘条宽度的过渡；腹板斜削段3作为考核段4中梁腹板到夹持段1的腹板厚度的过渡。

如图2所示，本发明实施例提供的疲劳试验件中各结构的结构尺寸包括：

夹持段1的结构尺寸包括：长L，高h，厚度t；

缘条斜削段2的结构尺寸包括：长L1，高h1，夹角θ，厚度t1；

腹板斜削段夹3的结构尺寸包括：长L2，厚度t2；

考核段4的结构尺寸包括：长L3，厚度t3，宽度w。

参考图2所示各结构的结构尺寸，需要说明的是，夹持段1的长度L和高度h根据试验机夹头自身尺寸确定；夹持段1的厚度t为至少3倍的考核段4厚度t3，即t≥3*t3。

参考图2所示各结构的结构尺寸，本发明实施例中缘条斜削段2的厚度t1与实际的工字梁缘条一致，缘条斜削段2的长L2、高h1(h1＝h)及夹角θ1满足条件：

参考图2所示各结构的结构尺寸，本发明实施例中腹板斜削段3与考核段4连接位置的厚度t2为考核段4的厚度t3，腹板斜削段3与夹持段1连接位置的厚度t2为考核段夹持段1的厚度t，腹板斜削段3的长度L2满足条件：

本发明实施例中，考核段4的剖面尺寸与实际工字梁结构尺寸一致，考核段4的长度L3≥80mm。

可选地，本发明实施例提供的疲劳试验件的结构中，各个交界面的倒角(即R角)不小于5mm，以保证较低的应力集中系数。

基于本发明上述实施例提供的工字梁拉伸疲劳试验件，本发明实施例还提供一种工字梁拉伸疲劳试验方法。

执行本发明实施例提供的工字梁拉伸疲劳试验方法，采用两个如上述实施例提供的疲劳试验件，两个试验件以考核段4的端面相对设置，梁缘条和梁腹板相连接；其中，两个试验件考核段4的连接位置采用与实际飞机结构形式相同的连接方式。

本发明实施例的工字梁拉伸疲劳试验件中，夹持段1用于试验机的加载；缘条斜削段2、腹板斜削段3有助于工字梁三个平面的载荷均匀传递，并消除应力集中现象。

采用本发明上述实施例提供的疲劳试验件进行受拉DFR值测试的方法为：根据实际结构形式确定试验件构型，建立有限元模型进行应力分析确定试验件具体尺寸；布置应变片并进行试验状态监控；进行等幅或者随机谱下的疲劳试验；根据试验结果，进行数据处理，通过本发明的方法可以计算工字形截面梁在拉伸载荷作用的DFR值，为结构设计提供试验依据。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种工字梁拉伸疲劳试验方法的流程图。本发明实施例中采用两个上述疲劳试验件测试工字梁对接结构细节疲劳额定值的测试方法，其测试方法的步骤如下：

步骤一、根据工字梁实际结构形式，初步确定工字梁拉伸疲劳试验件的结构形式、试验载荷谱和试验件数量；

步骤二、根据试验件结构形式建立有限元模型进行应力分析，根据分析得到的有限元结果确定用于进行试验的试验件尺寸，保证考核段三个面的应力水平基本一致，并且保证考核段为结构疲劳薄弱部位，以达到考核目的；

步骤三、根据有限元结果及理论计算，对试验件进行应变片的布置，依据应变值变化来进行试验状态监控；

步骤四、通过将两个试验件的夹持段直接夹持在疲劳试验机上，进行疲劳试验；举例来说，进行等幅或者随机谱下的疲劳试验时，通过两端的夹持段1夹持，可以直接在疲劳试验机进行疲劳试验；

步骤五、根据试验结果，进行数据处理，通过标准应力-疲劳寿命曲线方法计算试验件结构细节疲劳额定值，从而提供设计参考依据。

本发明实施例提供的工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法，其中，疲劳试验件包括加持段、缘条斜削段、腹板斜削段及考核段四部分；加持段为可直接用于试验机加载或固定的水平面；缘条斜削段和腹板斜削段位于加持段与考核段中间，保证载荷能够均匀传递到梁的三个平面上；考核段与试验件考核部分相连，其结构尺寸和剖面形式飞机工字梁结构一致，以保证能够真实验证其疲劳性能。本发明的技术方案从工字梁对接结构受力特点出发，从DFR值测试的角度给出了一种工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法，本发明提供的疲劳试验件及测试方法解决了工字梁在拉伸载荷作用下缘条、腹板一体化试验的难题，保证了结构考核的真实性，可为后续工字梁在不同工艺对接下疲劳试验提供了方法。

以下通过一个具体实施示例对本发明实施例提供的工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法的实施方式进行说明。下面结合附图对本发明做进一步详细说明，请参阅图1至图2。

本实施示例提供的工字梁拉伸疲劳试验件及拉伸疲劳试验方法，疲劳试验件由夹持段、缘条斜削段、腹板斜削段和考核段这四部分组成。

执行拉伸疲劳试验方法时，采用本发明提供的两个相同的疲劳试验件进行，在考核段处采用与真实飞机结构形式相同的连接方式。夹持段用于试验机加载；缘条斜削段、腹板斜削段有助于工字梁三个平面的载荷均匀传递，并消除应力集中现象。

该实施示例中，夹持段的长度L＝100mm和高度h＝80mm；考核部分缘条及腹板的厚度均为6mm。

以某一具体实例为例，本发明的测试工字梁拉伸疲劳细节疲劳额定值的测试方法具体步骤如下：

步骤一、根据某机型工字型机加框和试验机夹头尺寸确定试验件夹持段的长度L＝100mm和高度h＝80mm，框缘条及腹板厚度均为6mm。试验谱为等幅载荷谱，考核部位应力控制在100MPa左右；疲劳试验件数量为9件；试验件材料为7050-T351铝合金。

步骤二、根据试验件结构形式建立有限元模型进行应力分析，根据应力结果确定最终试验件尺寸，t＝16mm，t1＝t2＝t3＝6mm，θ＝30°，L1＝50mm，L2＝30mm，L3＝100mm。

步骤三、根据有限元结果及理论计算，对试验件进行应变片的布置，依据应变值变化来进行试验状态监控；

步骤四、进行疲劳试验时，通过两端的夹持段夹持，直接在MTS疲劳试验机进行疲劳试验，加载简单方便，加快试验速度；

步骤五、9件疲劳试验件的寿命分别为：51000，52000，53000，68000，63000，42000，49000，72000，66000，特征寿命为：

[1/9*(51000^4+52000^4+53000^4+68000^4+63000^4+42000^4+49000^4+72000^4+66000^4+)]^(1/4)＝103290，疲劳试验件系数S_T＝1.0，置信系数S_C＝1.32，可靠性系数S_R＝2.1，可靠性寿命为103290/1.0/1.32/2.1＝37262，X＝2^(5-lg(37262))＝1.3461，DFR＝310*50/(0.47*1.3461*(310-50)+0.53*50)＝81.2MPa。

本发明从工字梁对接结构受力特点出发，从DFR值测试的角度给出了一种用于工字梁拉伸疲劳试验件及测试方法，本发明的试验件及测试方法解决了工字梁在拉伸载荷作用下缘条、腹板一体化试验的难题，保证了结构考核的真实性，可为后续工字梁在不同工艺对接下疲劳试验提供了方法。

本发明使用的理论依据正确，分析步骤清晰、简单，工程概念明确，可为工字梁对接结构疲劳设计提供试验依据。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述工字梁拉伸疲劳试试验件包括：夹持段(1)、缘条斜削段(2)、腹板斜削段(3)和考核段(4)；

其中，所述考核段(4)设置为工字梁结构，包括形成工字形截面梁腹板和梁缘条；

所述夹持段(1)设置为平板结构，所述腹板斜削段(3)和缘条斜削段(2)形成的过渡区用于连接夹持段(1)和考核段(4)，并作为考核段(4)到夹持段(1)的过渡结构。

2.根据权利要求1所述的工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述缘条斜削段(2)作为考核段(4)中梁缘条到夹持段(1)的缘条宽度的过渡；

所述腹板斜削段(3)作为考核段(4)中梁腹板到夹持段(1)的腹板厚度的过渡。

3.根据权利要求1所述的工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述夹持段(1)长度L和高度h为根据试验机夹头的尺寸所确定的，夹持段(1)的厚度t为至少3倍的考核段(4)的厚度t3，即t≥3*t3。

4.根据权利要求2所述的工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述缘条斜削段(2)厚度t1与实际的工字梁缘条一致，其长L1、高h1及夹角θ满足条件：

其中，θ为缘条斜削段(2)与考核段(4)的夹角，t为夹持段(1)的厚度，w为考核段(4)的宽度，L1为缘条斜削段(2)的长度。

5.根据权利要求4所述的工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述腹板斜削段(3)与考核段(4)连接位置的厚度t2为考核段(4)的厚度t3，腹板斜削段(3)与夹持段(1)连接位置的厚度t2为考核段夹持段(1)的厚度t，腹板斜削段(3)的长度L2满足以下条件：

其中，L2为腹板斜削段(3)的长度，t2为腹板斜削段(3)的厚度。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述考核段(4)的剖面尺寸与实际工字梁结构尺寸一致，考核段(4)的长度L3≥80mm。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的工字梁拉伸疲劳试验件，其特征在于，所述疲劳试验件的结构中，各个交界面的倒角大于或等于5mm。

8.一种工字梁拉伸疲劳试验方法，其特征在于，采用两个如权利要求1～7中任一项所述的工字梁拉伸疲劳试验件执行所述拉伸疲劳试验方法；

其中，所述两个疲劳试验件以考核段(4)的端面相对设置，梁缘条和梁腹板相连接；其中，两个疲劳试验件考核段(4)的连接位置采用与实际飞机结构形式相同的连接方式；

所述工字梁拉伸疲劳试验件中，夹持段(1)用于试验机的加载；缘条斜削段(2)、腹板斜削段(3)用于向考核段(4)均匀传递三个平面的载荷，并用于减小应力集中。

9.根据权利要求8所述的工字梁拉伸疲劳试验方法，其特征在于，采用所述试验件测试工字梁对接结构细节疲劳额定值的测试方法，包括：

步骤1，根据工字梁实际结构形式，初步确定工字梁拉伸疲劳试验件的结构形式、试验载荷谱和试验件数量；

步骤2，根据试验件结构形式建立有限元模型进行应力分析，根据分析得到的有限元结果确定用于进行试验的试验件尺寸，保证考核段三个面的应力水平一致，并且保证考核段为结构疲劳薄弱部位，达到考核目的；

步骤3，根据有限元结果及理论计算，对试验件进行应变片的布置，依据应变值变化来进行试验状态监控；

步骤4，通过将两个试验件的夹持段(1)直接夹持在疲劳试验机上，进行疲劳试验；

步骤5，根据试验结果，进行数据处理，通过标准应力-疲劳寿命曲线方法计算试验件结构细节疲劳额定值。

Images