機(jī)翼折疊耳片承載能力的預(yù)測與試驗驗證

劉存 楊衛(wèi)平 張磊

摘要：機(jī)翼折疊耳片不僅承受整個外翼的載荷，而且要完成艦面機(jī)翼折疊功能。機(jī)翼折疊耳片的承載能力及耳片銷軸配合關(guān)系對飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性至關(guān)重要。為研究耳片銷軸在不同配合間隙、不同銷軸形狀下的承載特性，采用NASTRAN非線性有限元分析技術(shù)預(yù)測接頭靜強(qiáng)度承載能力，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比驗證，結(jié)果表明有限元模擬的破壞載荷與試驗相當(dāng)，普通間隙的柱形銷軸耳片誤差為4.86%，加大間隙柱形銷軸耳片誤差 2.30%，普通間隙的錐形銷軸耳片誤差-1.50%。該研究為機(jī)翼折疊耳片強(qiáng)度設(shè)計提供了試驗支持和分析方法。

關(guān)鍵詞：耳片;承載能力，預(yù)測;試驗;驗證

中圖分類號：V271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

耳片連接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的常見結(jié)構(gòu)形式，以其便于傳遞集中載荷、連接形式簡單、易裝配拆卸而廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)中。艦載機(jī)F-18、蘇一27K、殲15，E-2C等完成機(jī)翼折疊功能，普遍采用單雙耳片連接。耳片為關(guān)鍵零件，其承受集中載荷并將載荷擴(kuò)散到主結(jié)構(gòu)，耳片的失效將導(dǎo)致整個部件失效。因此，準(zhǔn)確預(yù)測耳片的承載能力對減輕重量（質(zhì)量）和保證飛機(jī)安全具有重要意義。眾多學(xué)者開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。李輝[1]對欽合金耳片靜載失效進(jìn)行了分析，揭示了耳片幾何尺寸與加載角度對破壞載荷的影響規(guī)律。湯超[2]采用PCL語言，基于Patran設(shè)計了飛機(jī)典型耳片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核系統(tǒng)，大大提高了設(shè)計者的工作效率。何翔[3]對欽合金接頭耳片參數(shù)敏感度進(jìn)行分析，得到了耳片的承載能力對耳片參數(shù)的敏感程度依次為：耳片厚度、內(nèi)孔直徑、耳片寬徑比和傾角。伍黎明[4]采用ANSYS分析了軸向拉伸載荷作用下厚度對耳片孔邊應(yīng)力集中的影響，得出了應(yīng)力集中系數(shù)隨厚度變化規(guī)律曲線。陳秀華[5]采用非線性有限元仿真分析了某飛機(jī)平尾升降舵鉸鏈接頭耳片的承載能力，預(yù)測出試驗件破壞的最大應(yīng)力值和破壞部位，有限元計算得到的載荷一位移曲線與試驗曲線大致吻合。周麗君[6]對受軸向拉伸載荷作用下的耳片的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了歸納總結(jié)，為設(shè)計工作提供了參考。劉存[7]通過不同配合關(guān)系的三組耳片接頭承載能力試驗研究，結(jié)果表明與工程計算的破壞載荷相比，三組耳片均有一定的保守量。劉超[8]采用改進(jìn)的三應(yīng)力不變量延性金屬斷裂模型很好地模擬了鋁合金板材靜強(qiáng)度漸進(jìn)破壞的過程，同時預(yù)測了斷裂時的載荷。參考文獻(xiàn)[9]基于金屬斷裂模型對欽合金試樣的拉伸破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬，與試驗結(jié)果基本一致。以上研究均未能很好地預(yù)測耳片接頭的承載能力。

對飛機(jī)設(shè)計工程師而言，準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度承載能力、減輕重量、提高結(jié)構(gòu)效率是飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域一直探究的問題。為研究耳片在不同配合間隙、不同銷軸形狀下的承載特性，采用NASTRAN非線性有限元分析技術(shù)預(yù)測接頭靜強(qiáng)度承載能力，試驗誤差在5%以內(nèi)，表明該方法可以精準(zhǔn)預(yù)測耳片結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度承載能力，為工程應(yīng)用提供支持。

1 計算模型

1.1 試驗件

耳片接頭試驗件的考核區(qū)為單耳，耳片厚度為15mm，耳孔尺寸為40.0mm。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。約束端為60.0mm的圓柱體，該圓柱體直接與試驗機(jī)夾具連接?？己藚^(qū)與約束端之間為矩形過渡區(qū)，該過渡區(qū)用于連接耳片和圓柱體，同時確保試驗件安全。為確定不同配合關(guān)系的耳片極限承載能力，設(shè)計了三種耳片試驗件。

第一種為柱形銷軸耳片試驗件，配合關(guān)系為普通間隙配合，配合關(guān)系為40.0H8/f7;第二種為柱形銷軸耳片試驗件，配合關(guān)系為大間隙配合，單耳耳孔尺寸為40.2mm，配合關(guān)系為40.2H8/f7;第三種為錐形銷軸耳片試驗件，配合關(guān)系為普通間隙配合，錐形銷軸試件錐度定義為雙耳支座兩外表面耳孔由45mm過渡為35mm，錐度3.6°。

試驗件材料選用30CrMnsiA，其基本力學(xué)性能參數(shù)[10]為：彈性模量E=201000MPa，屈服應(yīng)力σ_0.2=834MPa，極限強(qiáng)度σ_b=1080MPa，泊松比μ=0.227。

為了測試耳片試驗件在拉伸載荷下的承載特性，在耳片的關(guān)鍵部位布置了應(yīng)變片，試驗件構(gòu)型及應(yīng)變測量點(diǎn)布置如圖2所示，共15個測量點(diǎn)，單片粘貼在耳片厚度方向上，花片粘貼在耳片表面，且正反面對稱分布。文中有限元模擬與試驗對比分析所選取的應(yīng)變片如圖2所示。

1.2 有限元模型

建立有限元模型時，采用10節(jié)點(diǎn)四面體二次單元，以便更好地模擬耳片接頭受力狀況。耳片接頭的破壞過程包含材料的彈性和塑性行為，材料真實(shí)的本構(gòu)模型能準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的這一行為。調(diào)質(zhì)鋼30CrMnsiA棒材[10]應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖3所示。

試驗過程中，外載荷通過銷軸傳遞給耳片，隨著載荷的增加，耳孔和銷軸的接觸由線接觸變化到半個銷軸的面接觸。耳孔周圍的受力狀態(tài)也相當(dāng)復(fù)雜，本文旨在預(yù)測耳片的承載能力，故采用類型為RBE2的多點(diǎn)約束單元模擬單耳與銷軸的連接。模型中處于耳孔中心拉伸方向上的加載點(diǎn)為主動節(jié)點(diǎn)。耳孔與銷軸接觸的半圓面上的節(jié)點(diǎn)為從動節(jié)點(diǎn)。約束加載端圓柱體XIZ三個方向的位移。以便使模型達(dá)到試驗狀態(tài)下的約束。模型施加的載荷為強(qiáng)迫位移。

1.3 求解策略

文中基于MSC.PATRAN軟件對耳片接頭試驗件進(jìn)行仿真建模，結(jié)合材料非線性模擬其塑性效應(yīng)，運(yùn)用NASTRANSOL600調(diào)用MARC非線性求解器，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析計算，通過得到載荷施加點(diǎn)從開始受力變形到結(jié)構(gòu)破壞過程的載荷-位移曲線，根據(jù)曲線預(yù)測耳片接頭的承載能力。

2 接頭承載能力預(yù)測

通過上述方法進(jìn)行非線性靜態(tài)分析時，要選擇合適的迭代步、矩陣修正之前的迭代次數(shù)及每個載荷增量的總迭代限。計算三種接頭的的承載能力分別為556.27kN、560.26kN、611.97kN。其載荷一位移曲線如圖4～圖6所示。

3 試驗驗證

3.1 試驗概述

三種試驗件均采用雙耳及銷軸作為支持假件，考核單耳的極限承載能力。為進(jìn)行軸向拉伸載荷作用下的耳片承載能力試驗，單耳、雙耳、銷軸依據(jù)配合關(guān)系進(jìn)行裝配連接是第一步。其次要將裝配正確的試驗件的夾持棒固定到試驗機(jī)上，然后進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完畢后在WAW-E1000C萬能試驗機(jī)上進(jìn)行試驗，并使用SH-2000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變測量。試驗時每件試驗件預(yù)先拉伸兩次，以便消除連接部位的間隙。整體安裝圖如圖7所示。

正式試驗前要先進(jìn)行預(yù)試，預(yù)試采用10%試驗載荷的級差加載，直到30%的試驗載荷，然后逐級卸載，預(yù)試三次。重點(diǎn)檢查應(yīng)變數(shù)據(jù)是否正常，此外還要檢查試驗件、試驗夾具、試驗加載設(shè)備及試驗測量設(shè)備有無異常，確保正確無誤后方進(jìn)行正式試驗。正式試驗時，按10%試驗載荷的級差加載至80%試驗載荷，此后按照5%試驗載荷的級差加載至100%試驗載荷，期間完成100%試驗載荷的應(yīng)變測量。若此時試驗仍未破壞，繼續(xù)加載直到試驗件破壞，記錄破壞載荷。

3.2 試驗結(jié)果

試驗破壞載荷見表1。為每種試驗件的破壞載荷，本文選取試驗單耳完全破壞的試驗件為研究對象。

試驗件加載到最大破壞載荷時，試驗件沒有響聲，但載荷開始下降，認(rèn)為試驗件破壞，最大載荷為破壞載荷。三種試驗件的破壞模式如圖8所示。

在靜載荷作用下，耳片的破壞形式隨著耳片參數(shù)和加載方向的改變而變化。當(dāng)耳片拉伸凈截面面積小于剪切面積時，耳片以拉斷為主;當(dāng)耳片拉伸凈截面面積遠(yuǎn)大于剪切面積時，耳片以剪斷為主;當(dāng)耳片拉伸凈截面面積與剪切面積差別不大時，耳片呈拉、剪復(fù)合破壞形式[11]。從試驗件的破壞形貌上看，普通配合和間隙配合、柱形銷軸和錐形銷軸均未改變單耳的破壞模式，試驗件屬于受拉破壞。

4 對比分析

4.1 結(jié)果對比

破壞載荷的試驗與有限元結(jié)果比較見表2，表中首列對應(yīng)試驗件編號，P_test為三件試驗件破壞載荷，PFEA為有限元計算值，ε為有限元計算值相對于試驗值的偏差：

可見，采用有限元計算耳片的破壞載荷與試驗值誤差均在5%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計的需要。

4.2 載荷一應(yīng)變曲線對比

第一種（1-2）有限元計算與試驗值的載荷一應(yīng)變曲線如圖9所示，第二種（2-3）有限元計算與試驗值的載荷一應(yīng)變曲線如圖10所示，第三種（3-1）有限元計算與試驗值的載荷一應(yīng)變曲線如圖11所示。從圖中可以看出：耳片的有限元計算曲線與試驗實(shí)測的載荷一應(yīng)變過程曲線大體一致，線性段吻合程度較好，非線性段的變化趨勢一致。試驗最終得到的是耳片接頭的極限承載能力，有限元分析的主要目的是對耳片接頭承載能力的預(yù)測，兩者結(jié)果十分接近，但仍有一定誤差，分析誤差原因為：一方面有限元模擬加載圓柱體的約束狀態(tài)未能完全反映試驗夾具對圓柱體的約束;另一方面試驗載荷誤差、應(yīng)變測量誤差均為不可避免的誤差;此外，試驗機(jī)夾具與試驗安裝誤差會造成初始加載時微小滑移。

5 結(jié)論

通過對耳片接頭試驗件承載能力的有限元仿真和試驗驗證，得到以下結(jié)論：

（1）采用NASTRAN SOL600調(diào)用MARC非線性有限元分析技術(shù)預(yù)測耳片接頭的承載能力，與試驗相比，破壞載荷誤差在5%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計要求。

（2）基于NASTRAN非線性有限元分析技術(shù)能很好地預(yù)測耳片接頭的承載能力，可作為強(qiáng)度預(yù)估的一種有效手段。

參考文獻(xiàn)

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[2]湯超.基于MSC Patran的飛機(jī)典型耳片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇科技信息，2016（17）：63-65.

[3]何翔，叢昊.鋁合金接頭耳片參數(shù)敏感度分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2014，36（4）： 927-932.

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