机身壁板疲劳试验件过渡区设计

奚 蔚 沈培良上海飞机设计研究院强度设计研究部奚蔚（1986-）男，博士，工程师，主要研究方向为疲劳与断裂、随机有限元；沈培良（1980-）男，高级工程师，主要研究方向为疲劳与断裂。



机身壁板疲劳试验件过渡区设计

奚 蔚 沈培良
上海飞机设计研究院强度设计研究部
奚蔚（1986-）男，博士，工程师，主要研究方向为疲劳与断裂、随机有限元；沈培良（1980-）男，高级工程师，主要研究方向为疲劳与断裂。

本文针对机身壁板环向对接疲劳试验件过渡区的设计问题，提出的观点在航空结构疲劳试验领域起到作用。

如付诸现实将产生相当大的经济效益，每件试验件可节省设计、制造和试验等费用大约50万元。

点评人：施剑玮，上海飞机设计研究院强度部高级工程师，研究方向为结构疲劳与断裂。

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评估值230万

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本文对机身壁板环向对接疲劳试验件的传力特点进行了分析，设计了三种含不同过渡区的试验件，分别计算了它们过渡区危险细节处的疲劳寿命，并进行了对比，结果表明过渡区采用指形变厚度垫板试验件的载荷传递更加缓和，长桁和蒙皮的工作应力较均匀，过渡区与考核区最短寿命之比更高，更能满足疲劳试验件设计技术要求。

飞机结构的疲劳性能需要用试验进行验证，疲劳试验验证通常采用积木式方法，按试验的复杂度，将试验分成试件级、元件级、子部件级、部件级和全尺寸级。机身壁板环向对接疲劳试验件属于子部件级，其试验件数量在十个左右，单个试件造价高，后续疲劳试验费用昂贵。疲劳试验件通常包括考核区、过渡区和加载区，并要求过渡区和加载区的寿命远远大于考核区的寿命，通常在三倍以上。如果不能满足该要求，由于疲劳寿命具有较大的分散性，试验过程中可能出现过渡区较考核区先出现裂纹的情况，试验件将无法取得有效寿命数据，带来很大的经济损失。

本文通过对机身壁板环向对接疲劳试验件传力特性的研究，设计了三种含不同过渡区的试验件，对试验件过渡区的疲劳寿命进行了计算和对比，结果表明过渡区采用指形变厚度垫板可以充分满足考核区过渡区疲劳寿命之间的倍数要求，达到试验件设计技术要求。

机身壁板环向对接疲劳试验件传力分析

典型试验件形式如图1所示。在机身壁板环向对接区域，即考核区，左右两侧长桁通过长桁接头连接，蒙皮通过对接带板连接。加载区用于连接加载设施。过渡区用于将加载区的载荷均匀传递到考核区，使考核区应力分布情况与实际情况尽可能相同。由于机身壁板长桁多采用挤压型材，其截面形状在整个长度范围内相同，无法通过加大过渡区长桁截面尺寸的方式，降低过渡区内长桁工作应力，提高疲劳寿命。同时，蒙皮由于加工工艺限制，其在过渡区内的截面尺寸与考核区的相比也无法改变。出于前述原因，只能通过改变过渡区的传力特性，使力的传递更加缓和，各元件传力更加均匀，同时改善疲劳薄弱位置的细节设计，来提高过渡区疲劳危险细节的寿命。

不同过渡区设计的疲劳性能对比

本文设计了三种过渡区形式，对它们疲劳危险细节的寿命进行了分析对比。

过渡区采用机加接头

过渡区形式如图2所示。过渡区采用机加接头，接头下方有两层垫板。载荷加在垫板和蒙皮上，垫板上载荷大部分向接头传递，再传至长桁。考核区中，长桁接头立边和长桁立边连接端部紧固件处（见图1）是疲劳危险细节。过渡区中，红色圆圈标记紧固件处的长桁是危险细节。它们寿命之间的

图1 疲劳试验件示意图

point对比见表1，其中σbr代表孔边挤压应力，σg代表工作应力，ψ代表载荷传递系数，DFR代表细节疲劳额定值，N95/95代表具有95%可靠度和95%置信度的寿命，每个参数的具体计算方法见文献。

图2 采用机加接头过渡区示意图

图3 采用两层大面积垫板过渡区示意图

图4 采用指形变厚度垫板过渡区示意图

表1 考核区与过渡区危险细节寿命对比

过渡区采用两层大面积垫板

过渡区形式如图3所示。过渡区采用两层大面积垫板，第一层垫板从长桁端头处继续向考核区延伸10颗紧固件的距离，第二层垫板延伸8颗。过渡区接头长度缩短。载荷加在垫板和蒙皮上，垫板上载荷大部分直接向蒙皮传递。考核区的疲劳危险细节不变。过渡区中橙色圆圈标记处是疲劳危险细节，其中垫板长桁连接处的危险细节在长桁上，垫板蒙皮连接处的危险细节在蒙皮上。它们寿命之间的对比见表2。

表2 考核区与过渡区危险细节寿命对比

过渡区采用指形变厚度垫板

过渡区形式如图4所示。过渡区采用指形变厚度垫板，垫板位于长桁和蒙皮之间。载荷加在垫板和蒙皮上，垫板上载荷直接向长桁和蒙皮传递。考核区的疲劳危险细节不变。过渡区中红色圆圈标记处是疲劳危险细节，其中长桁垫板连接处的危险细节在长桁上，垫板蒙皮连接处的危险细节在蒙皮上。它们寿命之间的对比见表3。

表3 考核区与过渡区危险细节寿命对比

讨论

对过渡区采用机加接头的试验件，垫板上载荷大部分向接头传递，再传至长桁，长桁立边和底边传递载荷较多，其中长桁立边上疲劳危险细节寿命较短；

对过渡区采用两层大面积垫板的试验件，垫板上载荷大部分直接向蒙皮传递，又因垫板在同一截面位置处终止，刚度变化剧烈，导致该处蒙皮工作应力很大，蒙皮上疲劳危险细节寿命较短；

对过渡区采用指形变厚度垫板的试验件，垫板上载荷直接向长桁和蒙皮传递，由于垫板采用了指形和变厚度设计，往考核区方向，其刚度逐渐减弱，使得载荷的传递更加缓和，长桁底边和蒙皮的工作应力较均匀，其中长桁底边上疲劳危险细节寿命较短；

对比三种过渡区设计情况下的过渡区考核区最短寿命比，采用指形变厚度垫板试验件的比值最大，为5.85，远高于3倍的设计要求，效果很好。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.040