飞机重要铆接角材的破损安全特性分析

某教练机型由于使用中频繁起落及重着陆, 零号框处的前起落架铆接角材易产生纵向裂纹, 成为航空飞行安全的一大隐患。探讨该处构件的安全性, 显得尤为重要。

断裂力学是50年代开始发展起来的固体力学新的分支, 主要应用于含缺陷材料和结构的破坏问题[1]。在工程实际中, 由于机械设备和金属结构的构件中往往存在因为制造, 使用, 或者材料本身缺陷所导致的宏观裂纹, 若要确定构件能否继续安全使用, 最重要的就是判断裂纹是否会失稳扩展从而导致结构和设备的破坏。按断裂力学的观点:裂纹尖端的应力强度因子KI若小于材料的断裂韧性KIC, 则构件是安全的, 否则, 构件是危险的[2-3]。因此, 对结构裂纹尖端的应力强度因子的求解及研究显得尤为重要。

本文运用有限元的方法对该型飞机前起落架铆接角材处裂纹尖端进行分析研究。有限元法是目前采用广泛的数值方法, 具有强大的建模功能和能够充分利用计算机的计算能力, 并且随着网格划分的不断细化, 可以不断接近精确解, 从而满足工程实际的需要。本文应用大型商业有限元软件ANSYS对结构以及裂纹建模计算, 利用裂纹尖端附近的有限元节点或节点位移以及弹性断裂理论相关公式对裂纹尖端的应力强度因子求解。讨论了裂纹对飞机安全的危害性, 为飞机外场损伤检查和维护提供理论。

1 实物模型

该型飞机前起落架支架的下部有两个安装点 (a) , 分别由3个螺栓和托板螺母固定, 其中两个位于0号框上, 另一个在铆接角材上 (b) 。当飞机着路时在此安装点产生的拉伸应力, 通过两根螺栓传递到加强片, 再传到0号框, 最后传递到飞机地板和机体。由于0号框使用的是铝型材料, 强度不高, 频繁起落飞行产生的交变应力, 特别是出现重着路时的拉伸应力, 容易在应力集中的部位造成损坏以及产生裂纹。

2 计算分析

2.1 几何模型

本文研究了边沿含有直裂纹0号框加强件在受沿y轴拉伸情况下裂纹尖端的应力强度因子, 如图1 (a) 所示。0号框加强件的长度和宽分别用W和H表示, 裂纹距加强件底边的距离为h1, 裂纹长为a, 圆孔中心距离加强件底边h, 左边第一个圆孔半径为r1与右边两个半径为r2的圆孔的中心在一条直线上 (W=0.1m, H=0.03m, h1=0.01m, h=0.02m, r1=0.005m, r2=0.0025m, a/W=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6) 。我们研究的0号框加强件材料为铝合金, 其杨氏模量E=7e10Pa, v=0.3, 在板的长度方向受沿y轴均匀拉应力σ=1e6MPa的作用。

2.2 有限元模型

在Ι型载荷作用下, 如图3a, b所示, 在裂纹前沿小区域采用1/4节点奇异单元划分[4], 剩下局域用自由网格划分。

2.3 结果分析与讨论

0号框加强件y方向的应力σy分布如图4所示。从图中可以看出σy在裂纹尖端区域有急剧的增加。

图5给出了应力强度因子KI随裂纹的相对长度a/W的变化曲线。

相应的拟合公式为:

式中P为所加的载荷, 单位为MPa, KI的单位是MPa*m0.5。

在文中0号框加强件的结构材料采用LY12铝合金, 从相关材料手册可以查得该材料的断裂韧性KIC为32.8 MPa*m0.5。

令KIC=KI, 带入公式 (1) , 可得P与a/W的关系为:

通过公式 (2) 可以得到图6所示的图线。当裂纹相对尺寸和承受载荷在下方时, 结构是安全的, 否则, 将会出现断裂。

3 结语

通过上述计算和分析, 得出了角材裂纹尖端的应力强度因子与裂纹长度、载荷的关系, 裂纹越长, 承受的载荷越大, 材料越容易断裂。该教材连接前起落架与机身, 安全性能尤为重要, 参照荷—裂纹长度曲线, 可以很直观的看出材料的安全区域。通过裂纹长度的参数, 机务人员能评估飞机的可靠性。同时, 载荷参数反应了频繁起落和重着陆对飞机安全性的影响, 该理论结果有助于提高飞行教员和学员对飞机的操纵性。

摘要：本文用断裂力学和有限元方法分析了某机型零号框铆接角材的破损安全特性。通过计算角材裂纹尖端处应力强度因子, 得到裂纹尖端的应力强度因子与裂纹长度、载荷的关系。裂纹越长, 承受的载荷越大, 材料越容易断裂。载荷—裂纹长度曲线直观的给出了材料的安全区域。该结果有助于机务人员评估飞机的可靠性, 增强飞行教员和学员对飞机的操纵性。

关键词：角材,有限元,裂纹,应力强度因子

参考文献

[1] 康颖安.断裂力学的发展与研究现状, 机械工程:39-42.

[2] 褚武扬.断裂力学基础, 北京科学出版社, 1979:12-13.

[3] 龙靖宇.基于有限元法的二维裂纹应力强度因子研究, 武汉科技大学学报 (自然科学版) , 2005 (03) .

[4] Henshell RD, Shaw KG.Crack tip fi-nite elements are unnecessary, Interna-tional Journal forNumerical Methods in Engineering.Barsoum RS.1975, 9:495-507.

[5] On the use of isoparametric finite elements in linear fracture mechanics, International Journal for Numerical Methods in Engineering.1976, 10:25-37.