民用飛機機身加強框裂紋擴展建模方法研究.pdf

1、機身加強框是民用飛機機體中常見的典型結(jié)構(gòu)，加強框在飛機組裝或者使用過程中難以避免會有裂紋產(chǎn)生，而由裂紋引起的結(jié)構(gòu)強度降低導(dǎo)致致命性的災(zāi)難出現(xiàn)，是飛機在研制過程中需要考慮的重要問題。為了保證加強框結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠符合適航規(guī)定的設(shè)計要求，需要對加強框進行損傷容限評定，而裂紋擴展分析則是損傷容限評定的重要內(nèi)容之一。
　　本文立足于實際工程，根據(jù)機身加強框的結(jié)構(gòu)特點和載荷情況，進行裂紋擴展分析方法研究。獲取裂紋尖端應(yīng)力強度因子是進行裂紋擴展分

2、析的前提條件，目前僅有一些簡單的裂紋模型可以通過解析的方法得到。擴展有限元法作為一種新的數(shù)值計算方法，在求解應(yīng)力強度因子時，能夠反映復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和承載情況，被廣泛的用于工程實際中的一些裂紋問題。本文借助大型通用有限元軟件 ABAQUS，利用擴展有限元法求解機身加強框裂紋尖端應(yīng)力強度因子，進行裂紋擴展壽命計算，其目的是為了提出新的裂紋擴展分析方法。然后將新方法的分析結(jié)果與傳統(tǒng)方法相比較，對兩者的差異性進行研究。另外，本文還研究了加強框腹

3、板上加強筋對框的裂紋擴展壽命的影響，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。
　　本文的主要工作內(nèi)容和取得的成果如下：
　　1）本文在總結(jié)以往研究成果的前提下，提出了針對機身加強框結(jié)構(gòu)損傷容限評定和裂紋擴展分析的具體內(nèi)容和基本方法。系統(tǒng)性地分析了民用飛機機身加強框結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計特點和主要受載情況；詳細(xì)闡述了民用飛機結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計概念和評定流程；解析了裂紋擴展的相關(guān)知識和分析難點。明確裂紋尖端應(yīng)力強度因子是裂紋擴展分析中的關(guān)鍵因素。

4、　　2）借助ABAQUS軟件平臺，建立了基于擴展有限元方法的應(yīng)力強度因子的求解方法。首先通過對有限寬平板單側(cè)邊緣穿透裂紋模型進行分析，探討了平板在軸向拉伸、對稱彎曲載荷作用下，應(yīng)力強度因子隨載荷大小和裂紋長度的變化規(guī)律，將結(jié)果與理論解析解進行比較；然后分析“L”型角材單側(cè)邊緣穿透裂紋模型，在角材兩直角邊不同寬度比例的前提下，施加軸向拉伸載荷，研究不同裂紋長度下的應(yīng)力強度因子，計算結(jié)果與相關(guān)參考文獻結(jié)果進行比較。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其相對誤差在

5、可接受范圍之內(nèi)，從而驗證此方法的可行性和準(zhǔn)確性。同時明確在ABAQUS軟件中，擴展有限元分析模型的建模方法和技巧；
　　3）基于ABAQUS擴展有限元方法，提出一個新的用于分析機身加強框裂紋擴展壽命的計算方法。針對“C”型機身加強框結(jié)構(gòu)形式和承載情況，在初始裂紋假設(shè)和裂紋擴展路徑確定的前提下，首先利用ABAQUS軟件的擴展有限元法，計算得到裂紋長度與裂紋尖端應(yīng)力強度因子的關(guān)系；然后根據(jù)裂紋擴展擬合公式和破壞準(zhǔn)則編寫裂紋擴展分析程序

6、，計算裂紋擴展壽命；最后與傳統(tǒng)方法計算結(jié)果進行對比。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法較為保守，裂紋擴展壽命偏低，新的方法能夠較為真實的反映結(jié)構(gòu)形式和承載情況，裂紋擴展壽命偏高；
　　4）采用擴展有限元方法，研究框腹板上的加強筋對機身加強框裂紋擴展壽命的影響。以加強筋寬度和距離加強框內(nèi)緣條高度兩個參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)定優(yōu)化方案，通過分析獲得不同優(yōu)化方案的裂紋尖端應(yīng)力強度因子，以及裂紋擴展壽命。研究結(jié)果表明，增加加強筋有利于降低機身加強框上應(yīng)力水平，