飞机蒙皮对接处结构疲劳性能研究

蔡 玲

中国商飞上海飞机设计研究院强度研究部，上海 201210

随着经济发展以及航空技术的发展，人们越来越多的选择飞机出行，飞行安全是至关重要的。在民用飞机空难调查中发现，空难主要存在3类原因，分别为人为因素、环境因素和结构或机械故障。人为因素占80.5%，而结构或机械故障占6.5%。而飞机结构中各个连接部位是重点关注对象，以此降低结构或机械故障出现的概率，提高飞机的安全性，同时也要考虑飞机结构的重量，尽量采用更轻的结构设计，从而提高飞机的经济性。本文将通过研究蒙皮对接处的疲劳性能，从安全性和经济性考虑，选择最佳对接方式。

1 工程背景

在飞机设计中，有大量对接部位，比如：框对接、长桁对接、蒙皮对接等等，对接部位的疲劳性能至关重要。机身上蒙皮有环向对接和纵向对接，本文重点讨论机身蒙皮在纵向对缝处的连接形式。当机身承受气密载荷时，对接带板与蒙皮连接时就会产生疲劳细节，端部的钉连接处成为危险部位，如图1所示，对接处连接方式有两种，第一种是连接板直接和蒙皮连接；第二种在连接板和蒙皮之间增加一层指形板。分析端部钉孔的载荷，第一种为典型的单剪结构，分别采用工程算法和有限元分析，第二种连接方式不是简单的单剪连接，套用工程算法无法较准确获得钉载，因此进行有限元建模分析。

2 工程计算

采用航空工程中常用的方法分析第一种连接方式的端部钉孔载荷。通常，飞机结构连接件中的紧固件是成排设计的，而某一端头的紧固件传递载荷最大，旁路载荷也高，使得该紧固件所处的板孔成为疲劳危险细节。

图1 蒙皮对缝处两种对接方式

图2 典型单剪连接

如图2所示，单剪连接件危险端部紧固件载荷为R，S为紧固件间距（载荷方向）；W1、W2为上板、下板宽度；E1、E2为上板、下板弹性模量；t1、t2为上板、下板的厚度。

每排三颗钉，钉直径D=4.76mm，S=25mm；，W1=W2=20mm；E1=E2=71000（材料为 2024-T3）；t1=2mm，t2=1.6mm。

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

表1 蒙皮对接处结构参数以及紧固件柔度系数

采用解析法计算钉载R，假设加载P=10000N。蒙皮受载一侧端部载荷的传载比R/P=0.3334.

表2 钉的剪力

3 有限元分析

根据图1中两种对接结构形式，用PATRAN分析软件建立所分析结构的有限元模型，连接板、指形板和蒙皮均为SHELL单元，第一种连接形式，采用Y方向每排6颗钉，X方向每排3颗钉；第二种连接形式连接板与指形板连接，采用Y方向每排6颗钉，X方向每排2颗钉，指形板与蒙皮连接处，如图3和图4所示。有限元中钉模拟为梁元，但是释放梁元垂直于受力方向的自由度，以模拟钉的真实受载，在连接板的远端固支，蒙皮的远端加集中力模拟受载。

图3 第一种连接方式的有限元模型

图4 第二种连接方式的有限元模型

表3 各铆钉所受剪力表

4 对比结果

根据表3的计算结果可以看出，第一种连接方式：蒙皮受载一侧端部钉的传载比R/P=（555+553+552+560+560+570）/10000=0.34， 根 据 第 2节的工程分析结果，传载比R/P=0.3344，可检有限元分析和工程分析结果一致；第二种连接方式蒙皮受载一侧端部钉的传载比R/P=（679+660+677）/10000=0.20，端部载荷降低了40%。

从传载比的计算结果可以看出第二种连接方式明显降低了蒙皮端部连接处的传载比，明显改善了该危险部位的疲劳细节，而且采用了指形板，达到减重效果，符合运营商的经济性要求。

[1]雷腾. 民用飞机机身蒙皮对接结构疲劳分析及试验. 西安航空技术高等专科学校学报，2012，NO. 5