一种壁板搭接结构的疲劳性能试验方法

摘要

本发明涉及一种壁板搭接结构的疲劳性能试验方法，其特征在于：将试验件安装在三轴限弯型夹具中，采用试验机的上、下两个夹头夹住试件两端，两个夹头的对中线与试件两个端部的中线重合，然后在连接件上进行两次预拉，然后继续加载频率为5Hz正弦波形，载荷峰值为0.3[P]n，每隔1000～3000次将频率降1Hz，得到每次裂纹长度a和与对应的载荷循环数N。有益效果为：可以进行典型壁板搭接结构受纵向拉载的疲劳裂纹扩展试验，实际使用中取得了良好的试验效果，未出现明显的振动或变形，可以有效消除弯曲变形，又不妨碍轴向传载和变形，保证了试验数据的有效性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种典型壁板搭接结构的疲劳性能试验方法，特别提供了一套壁板搭 接结构疲劳试验的夹具装置及一种广义的疲劳缺口系数模型。

背景技术

航空结构中存在大量的结构连接件。很多重要的承力构件，都是通过螺栓、铆钉 等紧固件和其他结构相连接。连接件的试验和计算受到许多因素的影响，如连接形式 搭接或对接、单剪或双剪等)，连接的几何尺寸排距、端距、边距与孔径的比值等)， 紧固件的类型和尺寸，载荷的种类静载、动载或疲劳载荷)、方向，环境温度、湿度、 介质)等因素。连接件结构的疲劳性能分析在航空结构的疲劳分析中占有重要地位， 更是确保飞行安全必不可少的基础分析研究工作，对航空结构的安全和效率有着至关 重要的作用。典型连接件的疲劳试验更是考核飞机关键连接部位强度特性的重要方法 手段。

但对连接件进行应力分析，尤其是局部的细节应力分析，由于连接件的结构形式 的独特性，同时接触和塑性变形是一个复杂的非线性过程，使得计算误差很大，从而 给结构分析和设计带来很大的不便，寿命估算更加分散。对于试件厚度引起的不同应 力状态的影响，在进行寿命估算的过程中，采用局部应力应变法以修正Neuber法和线 性插值的方法来处理，从而造成预测偏差。采用三维接触模型求出某个部位的应力严 重系数虽然精确性更高，对于大规模的连接件分析，往往计算量很大。而采用二维钉 元模拟紧固件的方法可以较易求出孔的应力严重系数，但没有将厚度和载荷的影响考 虑进去，精确性不够高。对不同厚度材料疲劳寿命的差别无法进行疲劳寿命预测，是 现有寿命预测方法存在的重大缺陷之一。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种壁板搭接结构的疲劳性能试验方 法，在于获取壁板搭接结构的疲劳裂纹扩展数据，为典型壁板搭接结构提供一套可行 的、合理的疲劳性能试验方法。

技术方案

一种壁板搭接结构的疲劳性能试验方法，其特征在于步骤如下：

步骤1安装试验件：将夹板4夹在试件1两面，通过螺栓连接；在对接板2和夹 板4之间一面为铝合金垫块6，另一面为传载板3，且传载板3与铝合金垫块6厚度相 等；在夹板4的两边设有三轴限弯装置5，夹板4及三轴限弯装置5上的螺栓使用力 矩扳手拧至17Nm；

步骤2：采用试验机的上、下两个夹头夹住试件1两端，两个夹头的对中线与试 件1两个端部的中线重合，然后在连接件上进行两次预拉，预拉最大载荷为0.08[P]_n， 当连接件螺栓周围出现可见穿透裂纹时停止；所述载荷为等幅谱，正弦波形，载荷峰 值采用0.2[P]_n；所述的[P]_n＝n*F*τ_b为连接件静拉伸剪切破坏载荷，其中：n为连接螺 栓个数，F为螺栓横截面积，τ_b为螺栓材料的剪切强度，由航空航天部《AFFD》系统 工程办公室，1998的《螺栓和耳片》强度分析手册查得；

步骤3疲劳裂纹扩展试验：加载频率为5Hz正弦波形，载荷峰值为0.3[P]_n，每隔 1000～3000次将频率降1Hz，得到每次裂纹长度a和与对应的载荷循环数N。

在夹板4和铝合金垫块6与试件1接触部分涂抹二硫化钼润滑脂，并且垫上聚四 氟乙烯薄膜作为润滑条。

有益效果

本发明提出的一种壁板搭接结构的疲劳性能试验方法，有益效果为：采用本发明 设计的夹具装置，可以进行典型壁板搭接结构受纵向拉载的疲劳裂纹扩展试验，实际 使用中取得了良好的试验效果，未出现明显的振动或变形，可以有效消除弯曲变形， 又不妨碍轴向传载和变形，保证了试验数据的有效性。

附图说明

图1：本发明的三轴限弯型夹具组合示意图；

图2：本发明的典型壁板搭接结构试验件；

a)试验件俯视图；b)试验件侧视图；

图3：本发明的夹板平面图；

a)夹板结构图；b)夹板截面图；

图4：本发明的三轴限弯装置平面图；

a)三轴限弯装置三角支撑结构图；b)三轴限弯装置连接轴示意图；

1-试件，2-对接板，3-传载板，4-夹板，5-三轴限弯装置，6-垫块。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

试验件：典型壁板搭接结构，传载板和对接板的材料为LY12-CZ铝合金，螺栓材 料为30CrMnSiNi2A。试验件尺寸如图5所示。

步骤1试验件的安装：

步骤a)将夹板4直接夹在试验件两面，通过螺栓连接；在对接板2和夹板4之 间添加厚12mm的铝合金垫块6；安装过程中在夹板4和垫块6与试件1接触部分涂 抹添加了二硫化钼的润滑脂，并且垫上聚四氟乙烯薄膜作为润滑条；

步骤b)：在夹板4外加装三轴限弯装置5，夹板4及三轴限弯装置5上的螺栓使 用力矩扳手拧至17Nm；

步骤c)：用试验机上、下夹头夹住试件两端，并保证两个夹头的对中线与试件两 个端部的中线重合；

步骤2利用试验机在连接件上加载制造疲劳裂纹：

步骤a)：对试件进行两次预拉，保证试件牢固夹持并消除间隙。通过查《螺栓和耳片 强度分析手册》，得出直径12mm的Ly12-CZ铝合金螺栓剪切最大载荷τ_b为111.8KN。 计算预拉伸载荷为0.08[P]_n＝0.03*n*F*τ_b＝0.03*8*111.8＝26.832KN。

步骤b)：预制疲劳裂纹，载荷为等幅谱，正弦波形，应力比疲劳载荷谷值与峰值 的比)为-0.0275。载荷峰值采用0.1[P]_n＝0.1*8*111.8＝89.4KN。当疲劳载荷加载至154970 循环时，连接件对接板螺栓周围出现可见穿透裂纹，停止预制疲劳裂纹；

步骤3疲劳裂纹扩展试验的加载频率为5Hz，正弦波形，应力比为-0.0275，载荷 峰值仍取为0.15[P]_n。每隔3000次将频率降1Hz，记录裂纹长度a和与对应的载荷循 环数N。