铝锂合金机身壁板抗剪切能力对比

郭沛欣 白杰 张景新

【摘要】本文通过有限元计算及试验两种方法对比分析了铝锂合金蒙皮和挤压铝锂合金长桁组成的机身壁板与铝锂合金蒙皮和钣弯7000 系列高强度铝合金长桁所组成的壁板的抗剪切能力。通过分析验证得到了两种机身壁板的抗剪切承载能力，并比较出了两种壁板的抗剪切承载能力强弱。分析结果表明，铝锂合金蒙皮和挤压铝锂合金长桁组成的机身壁板抗剪切承载能力高于等截面的铝锂合金蒙皮和钣弯7000 系列高强度铝合金长桁所组成的壁板。

【关键词】抗剪切承载能力；壁板；蒙皮；长桁

【关键词】Comparison of the shear bearing capacity between the panel with aluminum lithium alloy skin adding aluminum lithium alloy stringers and the panel with aluminum lithium alloy skin adding 7000 series high strength aluminum alloy stringers is presented by the finite element calculation and tests. Through the calculation and the tests, the shear bearing capacity of the two kinds panels are gotten. It is shown that the shear bearing capacity of the panel with aluminum lithium alloy skin adding aluminum lithium alloy stringers is better than the other kinds of fuselage panels.

【Key words】Shear bearing capacity; Panel; Skin; Stringer

随着经济的发展，飞机已经成为人们外出旅行的首选工具。随着材料科学、制造工艺的日新月异，虽然飞机的结构形式没有很大的变化，仍然是蒙皮、长桁、框等结构，但是在制造过程中新工艺、新材料的应用，为飞机设计这提供了更为广阔的空间来改善飞机的承载能力。

因此，本文针对以铝锂合金为主要材料的机身壁板结构形式与铝锂合金和7000 系列铝合金混用的机身壁板结构形式的抗剪切承载能力进行了有限元分析对比及试验验证。

1试验方案

1.1试验件基本信息：

构型一：铝锂合金2198-T851蒙皮，高强度铝合金7075-T62、Z字型钣弯长桁。

构型二：铝锂合金2198-T851蒙皮，铝锂合金2196-T83、Z字型挤压长桁。

其中，挤压长桁和钣弯长桁的剖面面积相同。

为了后期的仿真计算方面，试验件所有的材料参数见表1。

表1试验件的材料参数

1.2试验支持及加载方案

剪切试验最主要的影响因素是如何将剪切载荷施加在试验件上，使试验件呈受纯剪切载荷的作用。为了达到该目的，将试件固定在一个方框形夹具内，方框形夹具的各边之间采用类似球铰的连接。夹具的一条边完全固定、其对边悬挂在一个吊臂上，吊臂的回转半径与试件的曲率半径相同。用作动器驱动吊臂垂直于长桁运动，吊臂就会带动试件绕固定点旋转，则试件可以受到纯剪切载荷的作用。试验方案如图1所示。

图1壁板剪切试验台照片

2试验分析

剪切屈曲载荷主要由蒙皮来承受，因此估算时估算蒙皮的屈曲载荷即可。蒙皮的屈曲载荷由下式确定：

Fcr=KsE■■

Ks为蒙皮压缩屈服系数，E为弹性模量，t为蒙皮厚度，b为蒙皮宽度。

式中的Ks由图2和图3确定。

图2剪切屈曲系数（曲板，弯曲边长度为b）

图3剪切屈曲系数（曲板，直边长度为b）

根据工程算法，可以得到相关的结构的屈曲载荷和屈曲系数。

3试验结果对比

3.1有限元计算

有限元计算中，钣弯试验件单元数量为127625 ；挤压试验件单元数量为 145433。通过有限元计算可得：钣弯长桁壁板在压缩载荷下破坏位置在壁板中段靠近边缘的两根长桁与蒙皮连接处附近。破坏形式应为在张力场的作用下，结构会首先失稳，但是并不会降低承载能力。由于结构属于多长桁结构，导致结构在张力场的作用下不会出现低阶屈曲，而是首先出现高阶屈曲和局部屈曲，进而由于蒙皮的屈曲导致载荷传递到长桁和框上，同时造成变形不协调而出现长桁或者框撕裂的情况。有限元计算所得两种构型壁板的最大载荷见表2。

表2有限元计算所得两种构型壁板的压缩破坏载荷

3.2试验结果

壁板剪切试验破坏形式见图4，图5。

图4蒙皮沿45度方向發生屈曲

图5蒙皮与长桁分离，铆钉破坏

通过对两种构型壁板多次试验结果的整理，得出了两种长桁形式下的破坏载荷值以及加载端位移数据，见表3。表3中的破坏载荷是指试验件在加载过程中发生断裂导致承载能力大幅下降时的载荷；等效破坏载荷是指破坏载荷除以试验件截面面积。

表3不同长桁形式的壁板的剪切破坏载荷

从表3中可以看出，挤压长桁和钣弯长桁受剪切载荷时破坏载荷相差不大，但挤压长桁的加载端位移明显大于钣弯长桁，钣弯长桁的等效破坏载荷大于挤压长桁，因此可以看出，蒙皮壁板在剪切载荷作用下有相对更高的承载力。

3.3试验结果分析

对比表2、表3 可以发现，由于剪切件给出的有限元模型刚度偏大，试验中的边界条件相对较弱，导致有限元分析的结果较真实的试验结果偏大。但是对比有限元仿真过程与试验加载过程，可以看到二者具有一致性。

4结论

通过有限元计算及试验验证结果可看出，压缩载荷下构型2 壁板比构型1在剪切载荷作用下有相对更高的承载力。由于两种构型壁板长桁的截面积相同，考虑铝锂合金材料相对于普通铝合金的密度较低的特性，采用铝锂合金挤压长桁的机身壁板可以提高壁板的抗剪切能力和减重的效果。

［责任编辑：汤静］