民用飞机金属结构损伤容限验证试验方法

张允涛

民用飞机金属结构损伤容限验证试验方法

张允涛

概述

民用飞机金属结构损伤容限适航评定的符合性方法以分析为主，但必须通过充分的试验来验证分析方法，包括裂纹扩展方法和剩余强度分析方法。AC25.571-1D中提供了一些主要结构件（PSE）的实例，新设计的飞机可选取典型的PSE元件进行损伤容限验证试验，例如机翼壁板、机身壁板、主要连接接头等试验项目。由于试验目的是验证损伤容限分析方法，为分析和计算提供数据支持，并非完全验证实际结构，因此可采取全尺寸试件，也可以采取模拟试件进行试验。采用模拟件试验时，必须充分考虑设计构型、考核部位选取、结构细节特征、典型开裂模式、载荷/载荷谱和试验内容等来设计试验件和试验方案。本文以支线客机机翼壁板损伤容限试验为例来说明。

试验方案

试验件

首先确定机翼壁板试验的考核部位。机翼翼盒的上、下壁板承受飞行载荷时，上壁板以受压为主，压-压载荷对损伤容限无影响；下壁板以受拉为主，为疲劳关键部位，选取机翼下壁板为验证对象。蒙皮和长桁加筋壁板为下壁板典型连接形式，且机翼展向为主要受载方向。通过筛选有限元内力和简化结构形式，确定试验考核部位和试验件形式。可采取以下原则：a）下壁板高应力水平部位；b）保证蒙皮和长桁的加强比Rs；c）蒙皮为平板，长桁截面尺寸相同。最终选取机翼下壁板根部靠近后梁处高应力区域进行考核，见图1。

图1　机翼下壁板及试验件形式

试验件由5根长桁和1块蒙皮组成，蒙皮材料：2324-T39II；长桁材料：2026-T3511。蒙皮厚度、长桁截面尺寸及长桁间距与机翼下壁板考核部位实际结构保持一致。试验件形式见图1。

试验件由考核段、过渡段和加持端组成，长度约为宽度的3倍，考核段应足够长，以保证裂纹扩展区域的场应力分布均匀。过渡段钉传载荷较大，同时考虑出现裂纹后方便修理，紧固件选择螺栓，并采取双剪连接形式以提高结构细节疲劳品质，对过渡段应加强以保证其与考核段和加载端连接处在试验中不会疲劳破坏。加载端为钢板，与试验机的上、下夹头通过耳片双剪连接，见图2。试验方案确定后，对试验件进行有限元应力分析，对考核段、过渡段和加载端进行静强度和疲劳强度校核，以确保试验件强度满足要求。

开裂模式及初始裂纹

根据《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》中机翼典型开裂模式，选择中间长桁断裂，蒙皮中心裂纹的开裂模式。试验件初始状态中间长桁在对称面上被切割断开，蒙皮初始裂纹模拟紧固件孔边裂纹，并将孔和裂纹简化为中心穿透裂纹。初始裂纹由预制切口和初始疲劳裂纹组成，总长6mm。预制切口通过线切割产生，切口总长4mm。初始疲劳裂纹在试验中施加等幅疲劳载荷形成，切口两端扩展量各1mm，见图3。等幅载荷一般不大于裂纹扩展谱中最大载荷。

图2　试验件安装图

试验内容

图3　预制裂纹示意图

试验在MTS试验机上进行，试验内容主要包括裂纹扩展试验和剩余强度试验。通过裂纹扩展试验得到裂纹长度a与载荷循环次数N（或飞行起落数）的基本数据，即a-N曲线，并与理论计算结果对比来验证裂纹扩展分析方法；通过剩余强度试验验证结构是否满足剩余强度要求值，以验证剩余强度分析方法。

正式试验前进行加载调试，设置合适的控制系统参数，并确保加载系统和测量系统等正常工作。随后进行预试，对考核部位及裂纹扩展区域进行应变测量，分析载荷-应变曲线的线性、重复性和对称性，满足要求后开始正式试验。

裂纹扩展试验从初始疲劳裂纹形成后开始，试验载荷谱采用飞-续-飞随机谱模拟真实载荷环境，按TWIST方法编制5×5随机谱，即一个谱块包含5种不同强弱程度的飞行类型，每一个随机载荷的使用情况包含5级载荷。5×5载荷谱中包含大量低应力水平、小幅值的载荷循环，其对裂纹扩展贡献很小，却占用很多试验时间，可通过裂纹扩展寿命的等损伤简化对其删减。

图4　试验各阶段内容示意图

图5　试验结果

裂纹扩展到理论临界裂纹长度acr时，停止裂纹扩展试验，进行剩余强度试验。理论临界裂纹acr通过剩余强度分析计算得到。试验载荷为剩余强度要求载荷（限制载荷），依据CCAR25.571 b）条确定。试验要求在100％剩余强度载荷下，结构不破坏仍能承载，否则结构不满足剩余强度要求。通常剩余强度分析是偏保守的，在剩余强度要求载荷下临界裂纹不会失稳断裂，为了摸索结构的实际剩余强度能力，可在理论临界裂纹长度下继续加载载荷直至结构断裂破坏，或者让裂纹继续扩展至两跨（两倍的桁距）长度，再施加剩余强度载荷或加大载荷直至结构破坏。本试验中临界裂纹长度远小于两倍跨距，因此选择后者继续试验，并在acr到两跨之间进行了多次剩余强度试验，见图4所示。

试验结果与分析对比

各阶段试验结果见图5。试验与分析计算的裂纹扩展曲线对比见图6，分析计算使用NASGRO软件，材料参数取自NASGRO软件的材料库，应力强度因子K通过有限元计算得到。由图6可以看出，分析计算的裂纹扩展速率da/dN明显大于试验结果，试验的裂纹扩展寿命大于分析计算值，裂纹扩展的分析方法是偏保守的。同时，在临界裂纹长度下施加剩余强度载荷后结构仍能承载，直至裂纹扩展到两跨时加载到160％剩余强度载荷时结构才断裂破坏。因而结构的实际剩余强度能力远大于分析计算值，剩余强度分析也是偏保守的。

结语

以验证分析方法为目的的损伤容限试验，在试验件设计时可根据实际构型和受载特点进行结构简化，并考虑典型的开裂模式确定初始裂纹。代表实际服役载荷环境的试验载荷谱可适当进行简化。最后，通过试验来验证分析方法是保守的、可靠的。

图6　试验与计算的a-N曲线

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.008