CN112784357B - 一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空结构设计领域，公开了一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法。通过开孔疲劳试验，确定了不同尺寸角裂纹相对穿透裂纹的修正因子，结合穿透裂纹应力强度因子计算公式，得到可用于快速确定孔边角裂纹应力强度因子的方法，解决孔边角裂纹应力强度因子无理论解且分析困难，缺乏高效可靠的孔边角裂纹应力强度因子确定方法的问题。

Description

一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法

技术领域

本发明属于航空结构设计领域，具体涉及一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法。

背景技术

飞机结构中广泛可见各类耳片结构，连接耳片承受循环载荷作用且载荷仅通过连接销钉传递，磨损和高应力集中引起循环载荷作用下的裂纹萌生，继而裂纹扩展直至破坏严重影响飞机结构的安全性。应力强度因子是计算裂纹扩展速率、剩余强度和疲劳寿命的一个重要参数。因此，要研究带裂纹耳片结构的裂纹扩展特性，首先就需要对耳片结构的应力强度因子进行研究。

孔边角裂纹应力强度因子无理论解且分析困难，以往只能通过有限元分析给出。

发明内容

本发明的目的是提供一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法，解决孔边角裂纹应力强度因子无理论解且分析困难，缺乏高效可靠的孔边角裂纹应力强度因子确定方法的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法，所述方法包括：

S1，计算孔边穿透裂纹应力强度因子；

S2，计算孔边角裂纹应力强度因子的修正系数；

S3，根据孔边角裂纹应力强度因子的修正系数以及孔边穿透裂纹应力强度因子确定孔边角裂纹应力强度因子。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)S1，穿透裂纹应力强度因子计算为：

获取不同的孔边穿透裂纹长度a₁下，对应的穿透裂纹应力强度因子K：

其中σ是远端应力，a₁是裂纹长度，β是综合修正因子。

(2)S2之前，所述方法还包括：

在不同的孔边角裂纹长度a₂和裂纹深度c组合条件下，进行开孔结构的疲劳试验，得到不同的孔边角裂纹长度和裂纹深度组合条件实际的孔边角裂纹应力强度因子K_c。

(3)在得到穿透裂纹应力强度因子K和实际的孔边角裂纹应力强度因子K_c的过程中，开孔结构的结构参数和外部载荷参数相同，开孔结构的结构参数包含：耳片结构的宽度、开孔直径、耳片厚度、孔边缘到耳片边缘的距离。

(4)在S2之前，所述方法还包括：

根据不同的孔边穿透裂纹长度a₁下穿透裂纹应力强度因子K，在不同的孔边角裂纹长度a₂和裂纹深度c组合条件下，实际的孔边角裂纹应力强度因子K_c；将裂纹长度a₁与孔边角裂纹长度a₂相同的两组数据作为一组试验数据，从而得到多组试验数据，并将相同的裂纹长度a₁与孔边角裂纹长度a₂均记为a。

(5)S2具体为：

按照对裂纹长度a、裂纹深度c进行无量纲处理，按照/>对裂纹深度c、开孔结构的厚度t进行无量纲处理；

在多组试验数据下，根据单参数组合法，假设孔边角裂纹长度a₂与裂纹深度c之间的比例关系是固定的，仅有一个裂纹参数是独立的，按照K_C＝KΦ的关系确定Φ的拟合表达式。

(6)孔边角裂纹应力强度因子的修正系数Φ具体为：

式中a为裂纹深度；c为表面长度，t为开孔结构的厚度。

(7)S3，确定孔边角裂纹应力强度因子K_c0，具体为：

K_C0＝K0Φ

式中K0为任意开孔结构上穿透裂纹应力强度因子；Φ为角裂纹应力强度因子的修正系数，K_C0同一开孔结构上与穿透裂纹具有相同裂纹长度的开孔角裂纹的应力强度因子。

本发明技术方案通过开孔疲劳试验，确定了不同尺寸角裂纹相对穿透裂纹的修正因子，结合穿透裂纹应力强度因子计算公式，得到可用于快速确定孔边角裂纹应力强度因子的方法。本发明通过开孔疲劳试验，确定了不同尺寸角裂纹相对穿透裂纹的修正因子，结合穿透裂纹应力强度因子计算公式，得到可用于快速确定孔边角裂纹应力强度因子的方法。本发明所提出的孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法步骤简便，解决孔边角裂纹应力强度因子无理论解且分析困难，缺乏高效可靠的孔边角裂纹应力强度因子确定方法的问题。

附图说明

图1为耳片角裂纹示意图；

图2为参数组合法与有限元计算结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明实施例提供一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法，所述方法包括：

S1，计算孔边穿透裂纹应力强度因子；

S2，计算孔边角裂纹应力强度因子的修正系数；

S3，根据孔边角裂纹应力强度因子的修正系数以及孔边穿透裂纹应力强度因子确定孔边角裂纹应力强度因子。

进一步的：

(1)S1，穿透裂纹应力强度因子计算为：

获取不同的孔边穿透裂纹长度a₁下，对应的穿透裂纹应力强度因子K：

其中σ是远端应力，a₁是裂纹长度，β是综合修正因子。

(2)S2之前，所述方法还包括：

在不同的孔边角裂纹长度a₂和裂纹深度c组合条件下，进行开孔结构的疲劳试验，得到不同的孔边角裂纹长度和裂纹深度组合条件实际的孔边角裂纹应力强度因子K_C。

(3)在得到穿透裂纹应力强度因子K和实际的孔边角裂纹应力强度因子K_C的过程中，开孔结构的结构参数和外部载荷参数相同，开孔结构的结构参数包含：耳片结构的宽度、开孔直径、耳片厚度、孔边缘到耳片边缘的距离。

(4)在S2之前，所述方法还包括：

根据不同的孔边穿透裂纹长度a₁下穿透裂纹应力强度因子K，在不同的孔边角裂纹长度a₂和裂纹深度c组合条件下，实际的孔边角裂纹应力强度因子K_C；将裂纹长度a₁与孔边角裂纹长度a₂相同的两组数据作为一组试验数据，从而得到多组试验数据，并将相同的裂纹长度a₁与孔边角裂纹长度a₂均记为a。

(5)S2具体为：

按照对裂纹长度a、裂纹深度c进行无量纲处理，按照/>对裂纹深度c、开孔结构的厚度t进行无量纲处理；

在多组试验数据下，根据单参数组合法，假设孔边角裂纹长度a₂与裂纹深度c之间的比例关系是固定的，仅有一个裂纹参数是独立的，按照K_C＝KΦ的关系确定Φ的拟合表达式。

(6)孔边角裂纹应力强度因子的修正系数Φ具体为：

式中a为裂纹深度；c为表面长度，t为开孔结构的厚度。

(7)S3，确定孔边角裂纹应力强度因子具体为：

K_C0＝K0Φ

式中K0为任意开孔结构上穿透裂纹应力强度因子；Φ为角裂纹应力强度因子的修正系数，K_C0同一开孔结构上与穿透裂纹具有相同裂纹长度的开孔角裂纹的应力强度因子。

具体的，如图1所示，为耳片角裂纹示意图。给出了实施例中用到的参数。

如图2所示，为参数组合法与有限元计算结果对比图。

下面以某一具体实例对本发明做进一步详细说明。

给出角裂纹两组相关参数如下：

第一组参数：施加给耳片结构的载荷P＝225KN，耳片结构的宽度W＝60mm，开孔直径D＝24mm，耳片厚度t＝25mm，孔边缘到耳片边缘的距离e＝18mm，a＝6mm，c＝6mm

第二组参数：P＝225KN，W＝60mm，D＝24mm，t＝25mm，e＝18mm，a＝10mm，c＝10mm

步骤一、计算穿透裂纹应力强度因子

穿透裂纹应力强度因子计算为：β可由《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》(下册)查得：

第一组参数：β＝1.60，

第二组参数：β＝1.31，

步骤二、计算角裂纹应力强度因子的修正系数

按照角裂纹应力强度因子的修正系数计算公式得

第一组参数：

第二组参数：

步骤三、计算角裂纹应力强度因子

按照如下公式计算角裂纹应力强度因子

第一组参数：

第二组参数：

式中K为穿透裂纹应力强度因子；Φ为角裂纹应力强度因子的修正系数。

通过三维有限元计算耳孔角裂纹应力强度因子，得到第一组数据的应力强度因子为第二组数据的应力强度因子为/>对比图如图2所示，可以看出本技术发明给出的孔边角裂纹应力强度因子确定方法与有限元计算结果吻合很好，本发明方法步骤简便，从而解决了孔边角裂纹应力强度因子无理论解且分析困难，缺乏高效可靠的孔边角裂纹应力强度因子确定方法的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，计算孔边穿透裂纹应力强度因子；

S2，计算孔边角裂纹应力强度因子的修正系数；

S3，根据孔边角裂纹应力强度因子的修正系数以及孔边穿透裂纹应力强度因子确定孔边角裂纹应力强度因子；

S2之前，所述方法还包括：

在不同的孔边角裂纹长度a₂和裂纹深度c组合条件下，进行开孔结构的疲劳试验，得到不同的孔边角裂纹长度和裂纹深度组合条件实际的孔边角裂纹应力强度因子K_c；

在得到穿透裂纹应力强度因子K和实际的孔边角裂纹应力强度因子K_c的过程中，开孔结构的结构参数和外部载荷参数相同，开孔结构的结构参数包含：耳片结构的宽度、开孔直径、耳片厚度、孔边缘到耳片边缘的距离；

根据不同的孔边穿透裂纹长度a₁下穿透裂纹应力强度因子K，在不同的孔边角裂纹长度a₂和裂纹深度c组合条件下，实际的孔边角裂纹应力强度因子K_c；将裂纹长度a₁与孔边角裂纹长度a₂相同的两组数据作为一组试验数据，从而得到多组试验数据，并将相同的裂纹长度a₁与孔边角裂纹长度a₂均记为a；

S2具体为：按照对裂纹长度a、裂纹深度c进行无量纲处理，按照/>对裂纹深度c、开孔结构的厚度t进行无量纲处理；

在多组试验数据下，根据单参数组合法，假设孔边角裂纹长度a₂与裂纹深度c之间的比例关系是固定的，仅有一个裂纹参数是独立的，按照K_c＝KΦ的关系确定Φ的拟合表达式；

孔边角裂纹应力强度因子的修正系数Φ具体为：

式中为c裂纹深度；a为表面裂纹长度，t为开孔结构的厚度；

S3，确定孔边角裂纹应力强度因子K_c0，具体为：

K_c0＝K0Φ

式中K0为任意开孔结构上穿透裂纹应力强度因子；Φ为角裂纹应力强度因子的修正系数，K_c0同一开孔结构上与穿透裂纹具有相同裂纹长度的开孔角裂纹的应力强度因子。

2.根据权利要求1所述的一种孔边角裂纹应力强度因子确定的参数组合方法，其特征在于，S1，穿透裂纹应力强度因子计算为：

获取不同的孔边穿透裂纹长度a₁下，对应的穿透裂纹应力强度因子K：

其中σ是远端应力，a₁是裂纹长度，β是综合修正因子。