輕型飛機(jī)翼肋支柱端與端部配件的配合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)*

曹嘉佳，王佳慶

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇蘇州 215123）

0 引言

飛機(jī)通常具有良好的機(jī)動(dòng)性能，然而飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能越好，機(jī)體結(jié)構(gòu)受力就越大，結(jié)構(gòu)及零部件就越易損傷[1]。飛機(jī)在飛行過程中，主要是通過飛機(jī)翼肋支柱來支撐機(jī)翼，當(dāng)飛機(jī)受到強(qiáng)大的氣流阻力時(shí)，翼肋支柱可以幫助緩解飛機(jī)所承受的張力和氣流壓縮力，同時(shí)由于飛行中翼肋支柱承受了多種負(fù)載，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼變形影響飛行的安全性[2]。因此，分析與掌握飛機(jī)支柱設(shè)計(jì)特性是解決飛行安全的重要任務(wù)，翼肋支柱設(shè)計(jì)的最重要部分是支柱端與端部配件之接的連接配合[3]。國內(nèi)外對(duì)航空大飛機(jī)進(jìn)行了大量研究，主要研究其機(jī)翼結(jié)構(gòu)，但是缺少對(duì)輕型飛機(jī)機(jī)翼支柱的研究，尤其是在機(jī)翼支柱端與端部配件的配合強(qiáng)度上缺少具體研究，因而存在一定問題[4-5]。本文主要設(shè)計(jì)了2種不同方式的機(jī)翼支柱端連接，實(shí)驗(yàn)a是將鋁質(zhì)支柱端直接通過點(diǎn)焊固定在鐵板上；實(shí)驗(yàn)b是將支柱一端套上一個(gè)鐵袖套，同樣通過點(diǎn)焊的方式固定在鐵板上。理論計(jì)算得出合理的焊點(diǎn)數(shù)量，通過重力實(shí)驗(yàn)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比，且通過理論計(jì)算分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與有效性，最終得出實(shí)驗(yàn)a 的設(shè)計(jì)方案能夠更好承受壓力，有更高的安全性，更加適合用于飛機(jī)機(jī)翼支柱設(shè)計(jì)研究。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

機(jī)翼支柱是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，安裝在機(jī)翼和機(jī)身之間。在飛行中，它支撐機(jī)翼抵抗張力，并承受由空氣引起的壓縮力。一般情況下，由于存在氣流產(chǎn)生的強(qiáng)大阻力，機(jī)翼支柱可能會(huì)發(fā)生彈性變形和屈曲，從而導(dǎo)致機(jī)翼出現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)[6]。此外，由于較大的剪切力，連接機(jī)翼的支柱端部也會(huì)失效。因此，這兩個(gè)問題都可能增加飛行事故率。為了提高飛機(jī)在飛行過程中的安全性，一個(gè)好的撐桿設(shè)計(jì)是非常重要的[7]。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的翼肋支柱能承受最小壓縮載荷2.6 kN，并控制飛機(jī)支柱的最大撓度小于5 mm。支柱設(shè)計(jì)的最重要部分是支柱端與端部配件之接的連接配合。本文主要研究2 種不同支柱端的連接設(shè)計(jì)，如圖1 所示。2 種支柱材料都為鋁質(zhì)，區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)a 設(shè)計(jì)的支柱末端是將鋁質(zhì)支柱端直接通過點(diǎn)焊固定在鐵板上，而實(shí)驗(yàn)b 設(shè)計(jì)將支柱末端一端套上一個(gè)鐵袖套，同樣通過點(diǎn)焊的方式固定在鐵板上。實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2 所示，將設(shè)計(jì)好的支柱固定在支架兩端，保證支柱一端與水平支架呈30°角，另一端與墻面呈60°角，在水平支架的一端不斷放上砝碼即模仿飛行中不斷增加的負(fù)載，直至支柱彎曲脫落。實(shí)驗(yàn)中記錄數(shù)據(jù)并分析2 種不同支柱設(shè)計(jì)的承受力和彎曲度。本文選取實(shí)驗(yàn)a的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 支柱連接端設(shè)計(jì)

圖2 測(cè)試設(shè)備

2 支撐設(shè)計(jì)

2.1 支柱邊界條件

如圖2 所示，通過觀察實(shí)驗(yàn)裝置，確定了實(shí)驗(yàn)的邊界條件；同時(shí)表明著在支柱的兩端沒有出現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)，因此支柱長(zhǎng)度計(jì)算公示選擇Leff=0.5L[8]。

2.2 確定焊點(diǎn)數(shù)量

從鋁的置信區(qū)間范圍表1 來看，為了提高飛機(jī)飛行的安全性，95%的置信度表明支柱設(shè)計(jì)成功的概率較高，因此選擇95%進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，設(shè)計(jì)應(yīng)涵蓋所有的條件，因此load value（1 297.592）將用來執(zhí)行以下計(jì)算操作[9]。為提高支撐能力的安全性，增加一個(gè)安全系數(shù)增加預(yù)期載荷。參考相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，當(dāng)載荷和應(yīng)力可以很容易確定時(shí)，可以使用安全值1.5。通過以下計(jì)算，在30°側(cè)，焊接次數(shù)f1為4個(gè)點(diǎn)；而另一側(cè)（60°）點(diǎn)焊數(shù)f2使用3個(gè)點(diǎn)就足夠。

表1 鋁的置信區(qū)間范圍 N

2.3 焊點(diǎn)分布設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)三角形是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以將板中心對(duì)稱的兩排單列應(yīng)用于30° 支柱一端，焊點(diǎn)分布如圖3 所示，而另一端使用三角形排列的方法，如圖4 所示。此外，考慮到板的承載能力，可能會(huì)出現(xiàn)板的剪切破壞問題，為避免這一問題，從壓扁邊緣到第1 個(gè)焊接點(diǎn)中心的距離應(yīng)大于焊接點(diǎn)直徑的2 倍。根據(jù)測(cè)量，焊點(diǎn)的尺寸接近5 mm，因此距離至少為10 mm。在本設(shè)計(jì)中，該距離如圖4 所示為10 mm，同時(shí)，利用偏心撓度公式可以確定4點(diǎn)分布中心到平板金屬內(nèi)沿的距離L[10]。

圖3 焊點(diǎn)設(shè)計(jì)為30°

圖4 焊點(diǎn)設(shè)計(jì)為60°

偏心撓度公式為：

4點(diǎn)分布中心到平板金屬內(nèi)沿的距離L為：

2.4 支柱設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證

為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，通過理論計(jì)算來判斷支柱設(shè)計(jì)的合理性，為實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。已知實(shí)驗(yàn)要求中支柱的最大撓度vmax=5 mm，通過式（3）推導(dǎo)從而計(jì)算出偏心載荷p≈4.608 kN，數(shù)據(jù)分析得到p＞2.6 kN，比對(duì)實(shí)驗(yàn)要求，該設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)要求，是合理的[11]。

偏心荷載為：

2.4.1 支撐彎曲理論計(jì)算預(yù)測(cè)

通過理論計(jì)算來預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)a 設(shè)計(jì)的支撐彎曲是否能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。有歐拉（Euler）和佩里-羅伯遜（Perry-Robertson）2 種計(jì)算屈曲應(yīng)力的方法[12]。由于要求長(zhǎng)細(xì)比小于140，與佩里-羅伯遜屈（Perry-Robertson）曲應(yīng)力計(jì)算方法相比，歐拉（Euler）屈曲應(yīng)力方法嚴(yán)重高估了壓縮應(yīng)力[13]。因此理論上給出的壓縮應(yīng)力為135.82 MPa。理論上，根據(jù)Perry-Robertson 的理論計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)a設(shè)計(jì)的支柱末端是將鋁質(zhì)支柱端直接通過點(diǎn)焊固定在鐵板上，鋁支柱可以承受8 kN。因此，通過計(jì)算，在30°一側(cè)的支柱的剪切應(yīng)力為4kN，在60°一側(cè)的支柱的剪切應(yīng)力為4 kN，大于設(shè)計(jì)支柱所能承受的力（3.9 kN）。因此，可以認(rèn)為，在達(dá)到設(shè)計(jì)剪切破壞要求之前，支柱可能會(huì)發(fā)生屈曲。

長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式為：

臨界載荷計(jì)算公式為：

歐拉（Euler）屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為：

佩里-羅伯遜（Perry-Robertson）屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為：

理論最大載荷計(jì)算公式為：

2.4.2 旋轉(zhuǎn)剪切破壞檢查

實(shí)驗(yàn)中鋁支柱一端與鋼鐵板之間會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)剪切力，旋轉(zhuǎn)剪切破壞情況會(huì)影響支柱的承載負(fù)荷情況。通過公式（10）可計(jì)算出實(shí)驗(yàn)剪切應(yīng)力為54 MPa，設(shè)計(jì)值為50 MPa，對(duì)比可知實(shí)驗(yàn)剪切應(yīng)力大于設(shè)計(jì)值。因此，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中焊接點(diǎn)不會(huì)與鋼板分離[14-15]。

3 支柱試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖5 所示為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物支柱和測(cè)試設(shè)備，在測(cè)試過程中，一個(gè)人在吊架上連續(xù)增加質(zhì)量（質(zhì)量分別為6、9、23 kg），另一個(gè)人讀取圓規(guī)上的撓度并記錄（圓外：1個(gè)圓為1 mm；內(nèi)部：1網(wǎng)格為1 mm）。試驗(yàn)完成后支架的屈曲情況如圖5所示。圖6為支架焊接點(diǎn)產(chǎn)生屈曲時(shí)與鋼襯板分離的情況。

圖5 支柱屈曲情況

圖6 支架焊接點(diǎn)產(chǎn)生屈曲時(shí)與鋼襯板分離

3.1 單組支柱試驗(yàn)結(jié)果及誤差討論

表2 所示為施加的力F1和實(shí)驗(yàn)后撓度的實(shí)驗(yàn)記錄。此外，根據(jù)圖7 所示，沿支柱的軸向力F3也可以通過公式（13）計(jì)算[16]。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，隨著載荷的增加，撓度明顯增大，支柱破壞前最大軸向力達(dá)到3 963.2 N，已經(jīng)達(dá)到了壓縮載荷2.6 kN的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 軸向力對(duì)比偏轉(zhuǎn)撓度

由表2 可知，支柱能夠承受最小的目標(biāo)力2.6 kN，但在達(dá)到最大預(yù)測(cè)值8 kN 之前很早就發(fā)生了屈曲和剪切破壞。通過研究知導(dǎo)致桿件失效的主要原因有3個(gè)。

第一個(gè)原因與錯(cuò)誤的計(jì)算有關(guān)。焊接點(diǎn)號(hào)2.6 kN×1.5×cos 30°/1297.592×2 ≠4 應(yīng)等于5.2。因此，焊接點(diǎn)的個(gè)數(shù)至少為6個(gè)，比4個(gè)點(diǎn)能夠承受更大的壓縮力。

第二個(gè)原因是在操作焊接點(diǎn)位置相對(duì)于原設(shè)計(jì)和焊機(jī)的操作誤差。觀察圖6 中已焊接完成的支柱端可明顯看出，由于人為操作誤差，有4 個(gè)焊接點(diǎn)過于靠近，但理論上，2個(gè)焊接點(diǎn)之間的距離至少應(yīng)為11 mm。

此外還可以看出，當(dāng)支柱發(fā)生屈曲時(shí)，它與鋼板分離。由于沒有焊機(jī)操作的經(jīng)驗(yàn)，沒有清理板面，導(dǎo)致板面與點(diǎn)焊機(jī)焊頭之間存在一定的微小間隙，然后長(zhǎng)時(shí)間壓焊機(jī)，產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致了高溫。因此如圖6所示，焊接時(shí)在板上產(chǎn)生了孔洞，可能導(dǎo)致板內(nèi)鋁變形，嚴(yán)重降低了板的阻力。

第三個(gè)是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最重要因素，是對(duì)邊界條件的錯(cuò)誤假設(shè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，壓桿屈曲形態(tài)為銷-銷邊界條件，而不是圖6所示的固定狀態(tài)，導(dǎo)致檢驗(yàn)計(jì)算錯(cuò)誤。因此，對(duì)于銷銷連接的邊界條件，Leff=L（支柱長(zhǎng)度）；理論最大荷載[12]為σmax×A支柱≈3.889 kN。因此，本文設(shè)計(jì)的支柱是成功的，即使是由于缺乏經(jīng)驗(yàn)的人工操作造成的誤差也可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到理論載荷值。

3.2 支柱試驗(yàn)結(jié)果比較

圖8所示為多組實(shí)驗(yàn)a下支柱的不同軸向力。由圖可知，幾乎所有組的設(shè)計(jì)都達(dá)到了最小目標(biāo)（2.6 kN），但均不滿足理論值（8 kN），支柱能承受的最大荷載為5.691 8 kN。圖9 所示為實(shí)驗(yàn)b 設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，全部組屈曲前的力都達(dá)到了最小載荷要求，但也沒有達(dá)到最終的理論計(jì)算要求（9.625 kN）。在圖9中收集的所有數(shù)據(jù)中，支柱能夠承受的最大荷載為8.358 kN。實(shí)驗(yàn)a 將鋁質(zhì)支柱端直接通過點(diǎn)焊固定在鐵板上，相比實(shí)驗(yàn)b 設(shè)計(jì)是將支柱一端套上一個(gè)鐵袖套，同樣通過點(diǎn)焊的方式固定在鐵板上；鐵材料似乎能承受更大的載荷量。然而實(shí)驗(yàn)b 數(shù)據(jù)中，大部分支柱在約5 705 kN 處失效，這接近于實(shí)驗(yàn)a中5 691 kN；并且，兩側(cè)帶鐵套的支柱制造比純鋁支柱更加復(fù)雜、耗時(shí)，將鋁質(zhì)支柱端直接通過點(diǎn)焊固定在鐵板上比鐵套便宜、質(zhì)量輕[17]。因此，實(shí)驗(yàn)a 的飛機(jī)翼肋支柱端與端部配件的配合強(qiáng)度更穩(wěn)定，更加適合輕型機(jī)翼支柱的設(shè)計(jì)。

圖8 沿支柱的軸向力（實(shí)驗(yàn)a）

圖9 沿支柱的軸向力（實(shí)驗(yàn)b）

4 結(jié)束語

通過數(shù)據(jù)分析和誤差分析，建議飛機(jī)翼肋支柱研究采用將鋁質(zhì)支柱端直接通過點(diǎn)焊固定在鐵板上的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)前期通過正確的計(jì)算得到了焊接設(shè)計(jì)所需的6 點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中采用了4 個(gè)焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)，然而考慮財(cái)務(wù)和制造成本問題，若較少焊接點(diǎn)可以達(dá)到目標(biāo)，降低制造成本，同時(shí)降低操作過程的復(fù)雜性。因此，后期改進(jìn)的支柱焊接設(shè)計(jì)將使用5 點(diǎn)。另外，需要注意的是，焊鉗的壓緊時(shí)機(jī)對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)應(yīng)施加多大的力起著關(guān)鍵作用。因此，應(yīng)加快壓緊動(dòng)作，避免因電流過大而導(dǎo)致材料過度熔化。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為后期進(jìn)一步機(jī)翼支柱研究提供參考。