[发明专利]一种含广布疲劳损伤机身壁板对接结构的剩余强度估算方法

说明书

技术领域

本发明属于飞机结构损伤容限设计技术，涉及一种含广布疲劳损伤机身壁板对接结构的剩余强度估算方法。

背景技术

飞机结构广布疲劳损伤（WFD：Widespread Fatigue Damage）是指由于结构多个部位同时存在具有足够尺寸和密度的多条裂纹，从而使结构不再满足剩余强度的要求，显著地恶化了结构的损伤容限特性，即缩短了裂纹扩展寿命和降低了结构的剩余强度能力。

适航条例要求，要有足够充分的试验证明，在设计使用寿命期内，有效地防止和控制飞机结构广布疲劳损伤WFD发生的可能性，也就是说，要采取各种措施，将广布疲劳损伤WFD的发生推迟至设计使用寿命期以外。

以裂纹存在的构件形式定义，广布疲劳损伤WFD分为多部位损伤(MSD：Multiple Site Damage)和多元件损伤(MED：Multiple Element Damage)，如图1所示。多部位损伤MSD是指在结构中相邻的部位在循环载荷的作用下产生一群长度相近、互相影响的宏观相对小裂纹，或是一条长裂纹向一群这样的裂纹扩展，单独考虑一条裂纹的扩展结构是不安全的，由于裂纹扩展过程中的连通、融合，结构将在很少的载荷循环内发生破坏。多元件损伤MED是指多个传力元件并联，每个元件上存在裂纹，因此在裂纹扩展过程中存在刚度变化，使载荷在各传力路线重新分配，导致裂纹扩展的相互影响。多部位损伤MSD和多元件损伤MED既有一定的区别又有深刻的联系。其主要区别在于：MSD的研究对象主要是同一零件上不同细节处的多条工程短裂纹，其突出特征就是裂纹的连通、融合引起的结构突然破坏。而MED则不存在裂纹的连通、融合，裂纹扩展的相互影响完全是载荷再分配引起的。

所谓结构的剩余强度，是指含裂纹结构的静承载能力。对不含损伤的构件，当施加的应力超过材料的强度极限，构件将发生破坏。如果构件出现裂纹，其承载能力将大大低于不含裂纹的构件。

剩余强度分析包括确定剩余强度要求和确定剩余强度许用值两个方面，只有在整个寿命期内，剩余强度许用值大于要求值，飞机结构才是安全的。

剩余强度要求是保证飞机结构安全性的最低要求。它是根据GJB67A-2008或者CCAR25.571节中规定的带损伤结构（即残存结构）遭受的各种载荷情况，计算出被评定结构部分承受的极限应力值，以σ_req表示，该值与裂纹长度无关。

剩余强度许用值反映被评定带裂纹结构实际的承载能力，以该结构应力许用值[σ]_rs表示，它随裂纹长度增加而降低。

飞机结构中机身增压舱壁板对接结构作为广布疲劳损伤最敏感的区域之一，也是广布疲劳损伤最具有代表性的部位，蒙皮对接结构部位一排铆钉孔上产生的多条小的疲劳裂纹快速连通，会使充压机身结构在极短的时间内不能满足结构的剩余强度要求而断裂，见图2所示。

针对广布疲劳损伤结构的剩余强度计算方法而言，国内外学者已经进行了大量的理论和试验研究，提出了多种剩余强度计算方法，包括采用塑性区连通准则（swift准则）的剩余强度计算方法以及采用净截面屈服准则的剩余强度计算方法。

对于塑性区连通准则的剩余强度计算方法而言，其物理概念清晰，应用也较为广泛，但该计算方法较为复杂，参数较多，不利于在工程上快速便捷评估剩余强度载荷，并且该计算方法受裂纹长度影响较大，当裂纹扩展长度较大时，多裂纹尖端相互干扰，塑性区连通效果明显，其计算结果较保守；而反之，计算结果则较危险。因此该计算方法在工程应用上存在较大的难度。

对于净截面屈服准则的剩余强度计算方法而言，其计算方法简单，易于操作，但是其计算结果普遍偏于危险，主要是因为没有考虑多裂纹间的塑性区影响。因此该方法虽然可以在工程上简便应用，但是还需要进一步的完善和修正。

发明内容

本发明就是基于计算方法相对较简单的净截面屈服剩余强度计算的基础上，进一步通过试验分析结果，提出一种更加准确、快速的计算含广布疲劳损伤机身壁板对接结构的剩余强度方法。

本发明的技术解决方案是：

(1)计算结构净截面屈服的剩余强度载荷

F_nys＝σ_ys(W-2a_lead-n×d-2n_MSD×l)t   式(1)

式中：

F_nys为净截面屈服准则预测的剩余强度载荷；

σ_ys为材料的屈服应力；

W为计量截面的宽度；