蔡 玲

中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院強(qiáng)度研究部，上海 201210

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及航空技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多的選擇飛機(jī)出行，飛行安全是至關(guān)重要的。在民用飛機(jī)空難調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，空難主要存在3類原因，分別為人為因素、環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)或機(jī)械故障。人為因素占80.5%，而結(jié)構(gòu)或機(jī)械故障占6.5%。而飛機(jī)結(jié)構(gòu)中各個(gè)連接部位是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，以此降低結(jié)構(gòu)或機(jī)械故障出現(xiàn)的概率，提高飛機(jī)的安全性，同時(shí)也要考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重量，盡量采用更輕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。本文將通過(guò)研究蒙皮對(duì)接處的疲勞性能，從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇最佳對(duì)接方式。

1 工程背景

在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，有大量對(duì)接部位，比如：框?qū)?、長(zhǎng)桁對(duì)接、蒙皮對(duì)接等等，對(duì)接部位的疲勞性能至關(guān)重要。機(jī)身上蒙皮有環(huán)向?qū)雍涂v向?qū)樱疚闹攸c(diǎn)討論機(jī)身蒙皮在縱向?qū)p處的連接形式。當(dāng)機(jī)身承受氣密載荷時(shí)，對(duì)接帶板與蒙皮連接時(shí)就會(huì)產(chǎn)生疲勞細(xì)節(jié)，端部的釘連接處成為危險(xiǎn)部位，如圖1所示，對(duì)接處連接方式有兩種，第一種是連接板直接和蒙皮連接；第二種在連接板和蒙皮之間增加一層指形板。分析端部釘孔的載荷，第一種為典型的單剪結(jié)構(gòu)，分別采用工程算法和有限元分析，第二種連接方式不是簡(jiǎn)單的單剪連接，套用工程算法無(wú)法較準(zhǔn)確獲得釘載，因此進(jìn)行有限元建模分析。

2 工程計(jì)算

采用航空工程中常用的方法分析第一種連接方式的端部釘孔載荷。通常，飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接件中的緊固件是成排設(shè)計(jì)的，而某一端頭的緊固件傳遞載荷最大，旁路載荷也高，使得該緊固件所處的板孔成為疲勞危險(xiǎn)細(xì)節(jié)。

圖1 蒙皮對(duì)縫處兩種對(duì)接方式

圖2 典型單剪連接

如圖2所示，單剪連接件危險(xiǎn)端部緊固件載荷為R，S為緊固件間距（載荷方向）；W1、W2為上板、下板寬度；E1、E2為上板、下板彈性模量；t1、t2為上板、下板的厚度。

每排三顆釘，釘直徑D=4.76mm，S=25mm；，W1=W2=20mm；E1=E2=71000（材料為 2024-T3）；t1=2mm，t2=1.6mm。

F1＝S/（W1t1E1）=7.04×10-6；F2＝S/（W2t2E2）=8.8×10-6

表1 蒙皮對(duì)接處結(jié)構(gòu)參數(shù)以及緊固件柔度系數(shù)

采用解析法計(jì)算釘載R，假設(shè)加載P=10000N。蒙皮受載一側(cè)端部載荷的傳載比R/P=0.3334.

表2 釘?shù)募袅?/p>

3 有限元分析

根據(jù)圖1中兩種對(duì)接結(jié)構(gòu)形式，用PATRAN分析軟件建立所分析結(jié)構(gòu)的有限元模型，連接板、指形板和蒙皮均為SHELL單元，第一種連接形式，采用Y方向每排6顆釘，X方向每排3顆釘；第二種連接形式連接板與指形板連接，采用Y方向每排6顆釘，X方向每排2顆釘，指形板與蒙皮連接處，如圖3和圖4所示。有限元中釘模擬為梁元，但是釋放梁元垂直于受力方向的自由度，以模擬釘?shù)恼鎸?shí)受載，在連接板的遠(yuǎn)端固支，蒙皮的遠(yuǎn)端加集中力模擬受載。

圖3 第一種連接方式的有限元模型

圖4 第二種連接方式的有限元模型

表3 各鉚釘所受剪力表

4 對(duì)比結(jié)果

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，第一種連接方式：蒙皮受載一側(cè)端部釘?shù)膫鬏d比R/P=（555+553+552+560+560+570）/10000=0.34， 根 據(jù) 第 2節(jié)的工程分析結(jié)果，傳載比R/P=0.3344，可檢有限元分析和工程分析結(jié)果一致；第二種連接方式蒙皮受載一側(cè)端部釘?shù)膫鬏d比R/P=（679+660+677）/10000=0.20，端部載荷降低了40%。

從傳載比的計(jì)算結(jié)果可以看出第二種連接方式明顯降低了蒙皮端部連接處的傳載比，明顯改善了該危險(xiǎn)部位的疲勞細(xì)節(jié)，而且采用了指形板，達(dá)到減重效果，符合運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)濟(jì)性要求。

[1]雷騰. 民用飛機(jī)機(jī)身蒙皮對(duì)接結(jié)構(gòu)疲勞分析及試驗(yàn). 西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2012，NO. 5