民用飞机曲面地板结构损伤容限分析方法

王艾伦

本文讨论了民用飞机气密地板结构特点，给出了一种分析曲面地板结构的方法。通过有限元分析确定应力分布及裂纹萌生位置，将沿裂纹扩展方向的应力分布作为损伤容限分析的输入，计算裂纹扩展次数。该法与常用的平板工程算法进行比较，虽然过程稍复杂，但结果更为可靠。

分析方法介绍

气密地板是民用飞机中机身结构的重要组成部分。地板表面及地板梁结构不仅承受客舱商载和充压载荷，还承担部分中央翼和主起落架舱传递过来的载荷。

在分析航空器地板结构时主要还是采用工程查图表的方法，许多飞机设计手册中有各种形状、各种支承方式和加载方式下的应力挠度曲线图。飞机结构中地板主要受垂直于表面的压应力，在压载作用下板内会产生弯曲应力和引起板件中间平面伸长的轴向拉伸应力。边界条件通常是简支和固支，简支板的复合应力及挠度均发生在板中心处，而固支板长边中点处复合应力为最大。

大多数情况下，飞机上的板处于这两种支承情况之间，求解时一般取这两种边界条件的平均值。

以上所述都是针对平板，然而许多型号的民用飞机均采用曲面板来承受充压载荷。相比平面板，曲面板承受气密压力的性能较好，可以将法向的压应力转化为面板自身的膜应力。在满足相同强度要求的条件下，飞机设计采用曲面地板比采用平面地板可以节省30%左右的结构重量。本文给出一种基于有限元法的曲面板损伤容限计算方法。

图1 有限元计算工作应力

算例比较

某型飞机中机身气密地板结构如图所示，地板结构由面板、纵向和横向加强件组成。气密地板上表面和6 根地板纵梁连接，将气密载荷传递至地板纵梁。相邻两根纵梁之间布置6 个波纹槽。

图2 损伤容限分析模型

图3 裂纹扩展次数

细化有限元模型见图1，波纹板建成壳元，承受7.63psi 的压力，紧固件处约束所有自由度，对称边界处限制相对应方向的平移和弯曲约束。

根据应力云图显示可以看到：最大应力单元在波纹槽R 区，两个波纹槽中间应力很小。以波纹槽顶点为原点，建立坐标系，将沿裂纹扩展方向的应力分布作为损伤容限分析的输入，每次飞行加载1 次。

在NASGRO 中选取非对称应力分布模型，W=1251mm，t=1.6mm，B=953.14mm，c=3.18mm。

经NASGRO计算后，最终裂纹长度为116.21mm，对应的飞行次数为78433 次，裂纹扩展曲线如图所示。而若使用平面薄板的工程算法，板中心处的拉弯复合应力为208.88MPa，裂纹从中心扩展至临界长度时对应的飞行次数仅有3544 次，明显过于保守。本文的方法对曲面板的损伤容限分析具有参考价值。