Z形長(zhǎng)桁加強(qiáng)的壁板承壓性能研究

李維娜

Z形長(zhǎng)桁加強(qiáng)的壁板承壓性能研究

李維娜

機(jī)身壁板作為機(jī)身結(jié)構(gòu)中最大的結(jié)構(gòu)單元，承受機(jī)身彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)載荷以及客艙壓力。對(duì)于壁板這種跨度大的結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免其發(fā)生總體失穩(wěn)，可通過(guò)布置隔框減小跨度來(lái)實(shí)現(xiàn)。無(wú)限度的布置框來(lái)減小跨度，從而提高失穩(wěn)載荷是不經(jīng)濟(jì)和不必要的。壁板的失效載荷與長(zhǎng)桁的承載能力有關(guān)，因此獲得又輕又強(qiáng)的長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)是飛機(jī)設(shè)計(jì)師的首要目標(biāo)。本文通過(guò)壓縮試驗(yàn)，研究了兩種不同材料和工藝的Z形長(zhǎng)桁對(duì)整個(gè)壁板承載能力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明鋁鋰合金擠壓長(zhǎng)桁比7075鈑彎長(zhǎng)桁具有更高的承壓能力和失穩(wěn)載荷。

現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)身多采用半硬殼式結(jié)構(gòu)（semimonocoque construction），由蒙皮、加強(qiáng)長(zhǎng)桁和支撐隔框組成。蒙皮和長(zhǎng)桁是機(jī)身結(jié)構(gòu)中最大的結(jié)構(gòu)單元，承受著機(jī)身彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)載荷以及客艙壓力。對(duì)于壁板這種跨度大的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，防止壁板發(fā)生失穩(wěn)。因此，沿機(jī)身方向按一定間隔布置隔框，其目的除了保持機(jī)身外形外，隔框還縮短壁板的特征長(zhǎng)度，避免其發(fā)生總體失穩(wěn)。

拉伸載荷下，結(jié)構(gòu)一般不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)承載能力與材料屬性——拉伸極限有關(guān)。只有在壓縮載荷下，失穩(wěn)才會(huì)發(fā)生。剪切失穩(wěn)，其實(shí)也是剪切載荷中的壓縮分量在起作用。工程研究壁板失穩(wěn)時(shí)，通常把蒙皮－長(zhǎng)桁壁板整體看成柱，將柱失穩(wěn)理論應(yīng)用到壁板上。壁板失效通常是蒙皮屈曲、局部失穩(wěn)和剪切失穩(wěn)的混合，蒙皮－長(zhǎng)桁的幾何結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定壁板以何種模式失效。蒙皮－長(zhǎng)桁壁板中，長(zhǎng)桁起到加強(qiáng)蒙皮和承擔(dān)主要軸向載荷的作用，因此，長(zhǎng)桁的力學(xué)性能對(duì)壁板承載能力會(huì)產(chǎn)生極大的影響。圖1給出了民用飛機(jī)壁板中典型的長(zhǎng)桁截面。Y型截面的長(zhǎng)桁具有最高的結(jié)構(gòu)效率，但由于封閉區(qū)域的腐蝕檢測(cè)非常困難而不被接受。帽形截面具有較高的結(jié)構(gòu)效率，同樣因?yàn)楦g檢測(cè)問題限制了它的使用。Z形長(zhǎng)桁和J形長(zhǎng)桁是目前飛機(jī)上最常見的兩種，Z形的結(jié)構(gòu)效率更高，J形有良好的破損－安全性，多用于機(jī)身縱向蒙皮的連接。

由于具有較高的結(jié)構(gòu)效率，Z形長(zhǎng)桁被廣泛用于機(jī)身壁板中。除了截面形式，不同材料和加工工藝對(duì)元件的承載能力也會(huì)產(chǎn)生影響，但這部分研究暫時(shí)缺失。鋁鋰合金是近幾十年發(fā)展最迅速的金屬材料，將最輕的金屬——鋰元素加到金屬鋁中，在降低合金比重的同時(shí)增加剛度，并維持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性、抗疲勞性以及延展性。這些優(yōu)點(diǎn)讓鋁鋰合金在航空航天以及航海領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。7000系列的高強(qiáng)鋁合金因其優(yōu)異的綜合性能和較輕的重量一直備受航空行業(yè)的關(guān)注。因此，本文以鋁鋰合金蒙皮+Z形長(zhǎng)桁組成的壁板為研究對(duì)象，通過(guò)壓縮試驗(yàn)研究不同材料和制造工藝對(duì)長(zhǎng)桁以及壁板承載能力的影響。

試驗(yàn)件介紹

試驗(yàn)件由蒙皮（R=1776mm）和三根長(zhǎng)桁組成，長(zhǎng)桁間距取150mm，壁板在壓縮方向尺寸為530mm，模擬一個(gè)框距的距離。壓縮載荷的施加是通過(guò)夾具端的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)，合理控制加載速率來(lái)保證準(zhǔn)靜態(tài)加載，保證軸向載荷盡可能通過(guò)試驗(yàn)件形心，不引起附加彎矩（誤差5%以內(nèi)）。試驗(yàn)件分兩組，用于研究不同蒙皮－長(zhǎng)桁組合下的壁板壓縮極限承載能力。兩組試驗(yàn)構(gòu)型為：

構(gòu)型一：鋁鋰合金2198－T8 蒙皮，高強(qiáng)度鋁合金7075－T62 Z形鈑彎長(zhǎng)桁；

構(gòu)型二：鋁鋰合金2198－T8 蒙皮，鋁鋰合金2196－T83 Z形擠壓長(zhǎng)桁；

圖2給出了擠壓長(zhǎng)桁和鈑彎長(zhǎng)桁的截面尺寸。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 不同截面長(zhǎng)桁的結(jié)構(gòu)效率

圖2 長(zhǎng)桁的截面尺寸

圖3 鈑彎長(zhǎng)桁壁板的壓縮破壞形式

圖4 擠壓長(zhǎng)桁壁板的壓縮破壞

對(duì)兩種壁板結(jié)構(gòu)，各準(zhǔn)備了4個(gè)試樣，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)觀察到，在位移比較小的時(shí)候，壁板發(fā)生面內(nèi)彈性變形，其位移－載荷呈線性關(guān)系；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定載荷，壁板發(fā)生屈曲變形，部分蒙皮和長(zhǎng)桁發(fā)生分離（未加載時(shí)，鉚釘連接作用下，蒙皮和長(zhǎng)桁處處貼合在一起），此時(shí)壁板還能繼續(xù)承受載荷；繼續(xù)加載，蒙皮變形越來(lái)越嚴(yán)重，想與長(zhǎng)桁脫離，終于鉚釘發(fā)生斷裂，長(zhǎng)桁與蒙皮分離，進(jìn)而長(zhǎng)桁和蒙皮發(fā)生明顯彎曲（如圖2、圖3所示）。兩組壁板的破壞載荷和破壞形式結(jié)果列于表1。不管對(duì)于何種長(zhǎng)桁，壁板發(fā)生破壞的過(guò)程都是蒙皮不堪承載，發(fā)生屈曲，想與長(zhǎng)桁脫離，最終導(dǎo)致鉚釘斷裂，整個(gè)壁板喪失承載能力。試驗(yàn)結(jié)果表明鈑彎長(zhǎng)桁壁板的破壞載荷小于擠壓長(zhǎng)桁壁板。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

表2給出了不同長(zhǎng)桁形式下的破壞載荷值以及加載端位移的詳細(xì)數(shù)據(jù)。破壞載荷是指試驗(yàn)件在加載過(guò)程中發(fā)生斷裂導(dǎo)致承載能力大幅下降時(shí)的載荷。表2中的等效破壞載荷是指破壞載荷除以試驗(yàn)件截面面積。擠壓長(zhǎng)桁的破壞載荷以及加載端位移都明顯大于鈑彎長(zhǎng)桁，采用擠壓長(zhǎng)桁的蒙皮壁板在軸向壓縮載荷下承載能力更好。

表2 不同長(zhǎng)桁形式壁板的壓縮破壞載荷

僅是蒙皮的局部屈曲，并不會(huì)導(dǎo)致壁板破壞。屈曲的蒙皮不能承受載荷，而相鄰的長(zhǎng)桁會(huì)繼續(xù)承受載荷，直到達(dá)到長(zhǎng)桁失穩(wěn)應(yīng)力。長(zhǎng)桁處的蒙皮承載效率最高，受到長(zhǎng)桁的支撐不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。跟隨長(zhǎng)桁一起承載的蒙皮有一個(gè)有效寬度be，它的取值和長(zhǎng)桁間距b與蒙皮厚度t的比值b/t有關(guān)。試驗(yàn)中觀察到，在加載初期，蒙皮發(fā)生局部屈曲，與長(zhǎng)桁分離，這削弱了整個(gè)壁板的承載能力，從而降低壁板的破壞載荷。設(shè)計(jì)時(shí)合理選擇b/t，提高蒙皮有效寬度be，最大限度發(fā)揮蒙皮的作用。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)壓縮試驗(yàn)對(duì)比了不同長(zhǎng)桁加強(qiáng)的壁板的承載能力和破壞形式。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋁鋰合金擠壓長(zhǎng)桁壁板的壓縮性能優(yōu)于7075鈑彎長(zhǎng)桁壁板。不管何種長(zhǎng)桁，壁板失效方式都是蒙皮先發(fā)生屈曲，與長(zhǎng)桁分離，隨著載荷增大，鉚釘不堪承載斷裂，最終導(dǎo)致整個(gè)壁板皺曲，失去承載能力。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，可用于指導(dǎo)后續(xù)飛機(jī)壁板設(shè)計(jì)與選材。

李維娜

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究部

李維娜（1986－）女，江蘇宿遷，博士研究生，工程師，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.012