机身壁板轴压试验件屈曲分析

摘 要：本文利用nastran软件中屈曲求解器和静力求解器对机身壁板轴压稳定性试验件进行屈曲分析，得到试验件考核部位的屈曲应力。然后用工程方法计算出的屈曲应力和试验结果与有限元结果进行比较，结果符合的较好。验证有限元计算屈曲应力的准确性，为后续机身壁板设计和屈曲分析提供参考。

关键词：线性屈曲；轴压试验；机身壁板

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.046

1 概述

现今，铆接化铣壁板作为机身的典型结构之一，为保证其结构安全性，工程人员开展大量的研究[1-4]。臧伟锋[2]介绍国内外机身壁板强度试验技术发展现状。王海燕[3]总结了轴压加筋壁板承载能力的几种工程算法。张国凡[4]等人利用有限元软件对加筋壁板后屈曲行为进行计算，并和试验结果的对比，得到合理的有限元建模计算方法。

这些文章主要对壁板后屈曲也就是壁板的破坏载荷研究较为全面，但对机身铆接壁板屈曲过程中的屈曲载荷研究并不详细。在新涡浆飞机设计中，如何得到合理精确的屈曲载荷解对飞机结构减重有着重要意义。因此，本文对机身壁板轴压稳定性试验件进行屈曲分析，通过nastran软件得出试验件在屈曲时的应力云图。并通过工程方法计算和试验结果验证屈曲应力的准确性。

2 结构介绍

机身典型壁板以机身下壁板结构和两处侧壁板结构作为研究对象。蒙皮采用2524-T3材料化铣蒙皮；框为“浮框”形式，采用7075-T62材料；長桁采用7150-T7751材料“Z”挤压件。试验件为3个长桁间距，1个框距组成的壁板结构，试验件见图1，试验件尺寸见表1。

3 有限元模型及加载

建立试验件结构的有限元计算模型，采用MD_Nastran软件进行线性屈曲计算模型一端面的节点简支，另一端面节点约束y、z方向位移，并施加强迫位移来模拟截面等应力的受载状态。在加载端面施加4mm强迫位移作为计算的初始载荷。轴压试验件约束与加载示意图见图2。

4 计算结果及分析

对机身壁板构型试验件采用MD_Nastrn进行线性屈曲分析，通过分析得到的轴压试验件屈曲模态。

在弹性范围内，载荷和变形呈线性关系。按定义的边界约束分析得到机身壁板稳定性试验件的结构特征值，进而确定试验件结构初始屈曲时加载端的强迫位移。然后以相同的约束对试验件进行静力计算，得到对应的弹性屈曲轴压应力。

根据试验件结构尺寸，采用文献[2]中的方法计算得到各试验件考核区的弹性轴压屈曲应力结果见表2。工程算法公式如下：

其中：为化铣厚度；为长桁间距；为弹性模量，为曲板压缩临界应力系数。

注：表2中试验结果取同类构型试件试验结果的平均值。

从表2中可以看出，有限元计算结果与试验结果，基本相当差值范围在-2.63%～7.16%，但构型1试件的试验结果与有限元结果相差较大，其原因是由于壁板夹持端的平行度和垂直度未达到设计要求引起构型1试件试验结果分散率较高，达到18.77%，而薄蒙皮机身壁板蒙皮初始屈曲载荷对几何缺陷敏感。也就是说构型1的试件存在初始缺陷而造成其屈曲载荷的试验结果较为分散，所以与有限元计算结果偏差较大。构型2、3的试验结果分散率都较低，有限元结果与其符合的较好。从整体趋势来看，有限元计算结果与工程计算结果趋势基本一致，但与试验结果趋势稍有偏差，可能由壁板初始缺陷造成试验结果偏差。

5 结论

采用nastran软件对机身壁板轴压试验件进行线性屈曲分析，通过计算结果可知有限元计算结果与工程计算结果变化趋势相一致。在表2中，构型1和构型4的试件对比可以知道，蒙皮厚度对机身壁板蒙皮轴压屈曲影响较大，构型3和构型4的试件对比可得知，即长桁间距不同对机身蒙皮轴压屈曲有一定的影响。通过对比试验结果可知，薄蒙皮机身壁板蒙皮初始屈曲载荷对几何缺陷较为敏感，对试验结果造成较大影响。合理的有限元软件计算可以较为准确的预测试验件试验趋势，从而得到合理的飞机屈曲分析计算方法。

参考文献：

[1]航空工业编委组.飞机设计手册（第九册）[M].航空工业出版社，

2001.

[2]臧伟锋，张海英，董登科.机身壁板强度试验技术研究[C].第23届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册），2014：488-492.

[3]王海燕，童贤鑫.轴压加筋壁板承载能力计算方法探讨[J].航空工程进展，2010（04）：47-55.

[4]张国凡，段世慧，吴存利.基于有限元的加筋板结构后屈曲分析方法研究[J].强度与环境，2014，40（02）：43-50.

作者简介：张国权（1985-），男，河北井陉人，研究生，工程师，主要研究方向：飞机结构强度设计。