飞机整体翼梁结构损伤容限试验及分析研究

摘要

应用大型一体化整体结构代替传统铆接组合结构已成为当今国内外飞机结构研制的一大趋势。整体结构的优势主要在于结构承载能力强、结构重量轻，加工工艺简单，应力集中部位和潜在疲劳裂纹起裂源少，在相同的材料性能和重量前提下，整体结构也比常规组合结构大大降低制造成本。整体结构的劣势主要在于其缺少铆钉孔这样的“天然”止裂元件而使得其破损安全性能受到不利影响，更容易形成广布疲劳损伤。正因为如此，近年来整体结构的损伤容限特性研究越来越受到工程技术人员的广泛关注。 本文立足于工程实际，针对某民用支线飞机整体翼梁结构，通过试验和理论计算分析，研究了其损伤容限特性。 首先，本文对含裂纹整体翼梁结构进行了裂纹扩展试验、剩余强度试验及断口分析。 其次，本文利用ANSYS有限元工程分析软件，对整体翼梁结构进行了应力强度因子分析，分别讨论了裂纹按照直线、试验真实轨迹、最大拉应力理论预测轨迹前进的应力强度因子分析；进一步讨论了蒙皮孔边裂纹、腹板厚度、止裂筋条等重量情况下高厚比对整体翼梁结构应力强度因子的影响。利用最大拉应力理论，对整体翼梁结构的裂纹扩展轨迹进行了研究并和试验轨迹曲线进行了比较。 最后，对整体翼梁结构进行了裂纹扩展寿命计算及剩余强度分析，并与试验结果进行了对比。 通过理论计算和试验对比分析，总结出整体翼梁结构损伤容限特性，给出可靠、可行的分析方法，得到对工程具有参考和应用价值的一些曲线及重要结论。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1损伤容限设计思想

1.2工程背景

1.3国内外研究状况

1.4本文的主要研究工作及章节简介

第二章基本理论

2.1应力强度因子

2.1.1裂纹的基本开裂方式

2.1.2裂纹尖端应力、位移场

2.1.3裂纹尖端应力强度因子

2.2有限单元法基本思想

2.3应用有限元的位移解来确定结构的应力强度因子

2.3.1裂纹尖端奇异元

2.3.2退化的八节点畸变元

2.3.3直接位移法求应力强度因子

2.4运用ANSYS计算结构的应力强度因子

2.5复合型裂纹问题

2.5.1概述

2.5.2最大拉应力准则

2.6损伤容限设计方法

2.6.1飞机结构损伤容限评定的特点

2.6.2裂纹扩展分析

2.6.3剩余强度分析

第三章整体翼梁损伤容限试验

3.1损伤容限试验方法

3.1.1损伤容限试验依据

3.1.2损伤容限试验目的

3.1.3损伤容限试验内容

3.2整体翼梁结构试验件及应变测量

3.2.1试验件结构

3.2.2试验件初始切割裂纹

3.2.3试验件材料性能

3.2.4试验件安装

3.2.5试验载荷

3.2.6试验控制与应变测量

3.3整体翼梁结构试验结果

3.3.1裂纹扩展试验a-N曲线

3.3.2裂纹扩展试验轨迹曲线

3.3.3试验件裂纹扩展试验照片

3.3.4试验件剩余强度

3.3.5试验件断口分析

3.4试验规律

第四章整体翼梁应力强度因子计算

4.1计算分析模型

4.2应力强度因子分析方法验证

4.3不同开裂模式应力强度因子分析

4.3.1不同开裂模式应力强度因子分析

4.3.2不同开裂模式应力强度因子对比

4.4多裂纹应力强度因子分析

4.4.1蒙皮孔边裂纹对梁缘条及腹板应力强度因子的影响分析

4.4.2蒙皮、腹板、筋条4条裂纹裂尖应力强度因子分析

4.4.3蒙皮、腹板、筋条6条裂纹裂尖应力强度因子分析

4.4.4多裂纹应力强度因子影响规律小结

4.5蒙皮全断分析

4.5.1裂尖在通过缘条腹板转角后2mm

4.5.2裂尖在止裂筋条和过筋后腹板上

4.6腹板下陷区域厚度变化对应力强度因子影响

4.7等重量止裂筋条高厚比对应力强度因子影响

第五章整体翼梁结构裂纹扩展轨迹研究

5.1最大拉应力理论计算轨迹与试验轨迹比较

5.2腹板厚度对裂纹轨迹的影响

5.3止裂筋条高厚比对裂纹轨迹的影响

第六章整体翼梁结构裂纹扩展寿命分析

6.1整体翼梁结构裂纹扩展寿命计算

6.2裂纹扩展寿命对比分析

第七章整体翼梁结构剩余强度分析

7.1按照静强度理论分析

7.2按照断裂力学理论进行剩余强度分析

7.2.1梁腹板剩余强度曲线

7.2.2蒙皮剩余强度曲线

7.2.3蒙皮孔边裂纹剩余强度分析

7.2.4蒙皮和缘条全断分析

第八章结论与展望

8.1主要工作总结

8.2主要结论

8.3展望

参考文献

在研期间发表的学术论文

致谢