垂尾与机身连接接头拉伸角盒疲劳寿命分析

樊优优，张慧峰，王俊安

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

为了更好地观测角盒疲劳裂纹的产生、扩展，设计出更加符合要求的试验夹具，一般会在试验前对试件的破坏部位及寿命进行预估。垂尾与机身连接接头拉伸角盒区域载荷集中且载荷传递情况复杂，传统工程算法中某些参数的取值难以确定。

随着航空科技的发展进步，复杂结构、新材料不断出现在各种试验中，需要对这些结构进行疲劳寿命预估。使用工程算法时，也会出现参数难以确定，或没有该细节参数的情况。而有限元分析的手段对此是很好的补充，提供了一种解决问题的方法。

本文以垂尾与机身连接接头拉伸角盒结构为例，采用工程算法与有限元法相结合的方法，对其疲劳危险部位及疲劳寿命进行预估，并将预估结果和试验结果进行对比分析。

2 疲劳寿命预估方法

目前使用较多的工程算法是结构疲劳细节额定值法，即DFR法，其定义为结构能够承105受次循环(具有95%的置信度和95%的可靠度)产生宏观疲劳裂纹时所对应的最大应力(循环比R=0.06)，是结构实际疲劳品质的一种度量[4-6]。

DFR值是结构本身固有的疲劳性能特征值，与使用载荷无关，试验数据和使用经验数据是确定结构细节疲劳额定值的主要依据[7，8]。一般认为，影响疲劳强度的因素主要有结构的受力形式、结构的几何形状、结构材料、细节加工状况、相同危险细节数等[9，10]。在利用原有试验数据的分析方法确定结构细节的DFR值时，把这些影响因素归结为相应的修正因子来加以考虑，这样，设计者和结构分析人员就可以对不同使用环境下的不同结构采用统一的分析方法来确定其DFR值。分析方法的步骤如下：

(1)确定结构疲劳危险细节。可通过有限元建模的方法对所分析的结构进行疲劳危险细节的确定，也可以通过经验分析进行确定。

(2)确定危险细节DFR值。根据危险细节的结构及受载形式，通过查手册及计算的方法获得细节疲劳额定值DFR。当参数出现空白或难以确定时，可以使用有限元软件进行辅助。

(3)确定危险细节应力谱。

(4)计算危险细节的疲劳可靠性寿命。

3 角盒结构疲劳寿命预估

3.1 角盒结构及其疲劳危险细节确定

该角盒结构选取自垂尾与机身连接区，圆角半径为8mm，材料为7050-T7451。对试验盒段进行静力建模分析，如图1所示。从图中可以看出，除去连接孔，盒段应力最大的部位是底角倒圆处。结合实际经验，可以确定结构疲劳寿命分析危险部位为底角倒圆。

图1 角盒结构及静力分析应力云图

3.2 角盒结构疲劳危险细节DFR值确定

计算材料缺口或圆角的许用值，计算公式如下所示：

DFR=DFRbase×K×F×Rc

(1)

式中：DFRbase——细节疲劳基准值；通过建模进行静力分析，确定圆角处的应力集中系数Ktn，再查缺口材料部分公式及图表确定细节疲劳基准值，如图2所示，或见参考文献[8]；K——对于铝合金，K=1.0；F——粗糙度系数；Rc——构件疲劳额定系数。

图2 应力集中系数Ktn与细节疲劳基准值DFRbase曲线

使用有限元法计算倒圆处的应力集中系数Ktn，该部位为根部R8的圆角。由于很难找到这种受力圆角的应力集中系数，因此采用有限元方法进行分析，应力云图如图3所示，圆角最大应力点剖面图如图4所示。

图3 应力云图

图4 圆角部位最大应力点剖面图

在根部圆角处选取截面如图4所示，选取最大应力值的点为起点，沿如图所示厚度方向的应力分布见表1，选取其中14个节点的应力，其中最大应力为177.8MPa。

表1 圆角沿截面厚度方向应力分布

对表1中的数据进行二次方程拟合，如图5所示，得到应力沿厚度方向的方程为：

图5 应力值二次方程拟合

S=4.6695D2-53.184D+201.83

对上述方程进行积分，再除以厚度，即得该处的平均应力，即名义应力。

应力集中系数Ktn=177.8/97.65=1.82

再查缺口材料部分公式及图表确定细节疲劳基准值，如图2所示。其余各参数取值见参考文献[8]，如表2所示。

表2 底角倒圆细节疲劳额定值DFR计算结果

3.3 角盒结构疲劳值确定

计算角盒结构的疲劳寿命，在常幅载荷谱作用下，结构细节处的应力水平、寿命和疲劳额定值之间的关系式如下：

(2)

(3)

参照参考文献[8]，进行其它参数取值，其中，对于铝合金，S=2.0，σmo=310。

按照文中的分析方法进行细节疲劳额定值计算，如表3所示。在圆角下方部位如图6所示位置，选取远场应力，平均值为81.9MPa。

表3 底角倒圆疲劳寿命计算结果

图6 远场应力选择位置

3.4 试验结果及对比

试验结果如表4所示，起裂位置如图7所示。

图7 试验件起裂位置

表4 试验结果

依据疲劳试验使用评估准则，将试验结果进行统计分析，如表5所示。

表5 预估分析与试验数据统计分析对比

4 结 论

本文对垂尾与机身连接接头拉伸角盒结构疲劳危险部位及疲劳寿命进行预估，并将预估结果和试验结果进行对比分析。分析结果显示，95%置信度、95%可靠度的可靠性分析寿命与试验统计结果非常相近，说明该分析方法有效可行。