Ω型加筋壁板连接结构在拉伸载荷下的破坏研究

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

在飞机结构设计中，由蒙皮和长桁组成的加筋壁板是最常见的结构件。加筋壁板有很多结构类型，常见的有T型、I型、J型、π型和Ω型[1-2]。其中，Ω型加筋壁板的长桁与蒙皮形成一个闭合结构，具有很高的受压稳定性，可以承受重载。传统的飞机结构采用金属材料制造加筋壁板，Ω型加筋壁板的长桁和蒙皮之间形成封闭结构容易积液形成腐蚀，很少采用这种类型的设计。近年来，随着耐腐蚀性优良的复合材料的广泛应用，Ω型加筋壁板有了越来越广阔的使用前景[3]。

加筋壁板连接是飞机设计中的关键技术，针对这一问题，国内外学者进行了诸多的研究[4-9]。由于Ω型加筋壁板在传统飞机设计中应用较少，关于Ω型加筋壁板连接方面的研究分析也较少。本文以复合材料Ω型加筋壁板前后段连接结构为研究对象，用试验的方法考察在拉伸载荷作用下，前段和后段Ω型复合材料加筋壁板、前段和后段连接框、连接角盒、连接紧固件的承载能力。

1 试验件及试验装置

1.1 试验结构件

Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件由前段Ω型复合材料加筋壁板、后段Ω型复合材料加筋壁板、前段连接框、后段连接框、连接角盒、连接紧固件组成。试验件长800mm，宽400mm，高度为260mm。Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件如图1所示。

模拟飞机机身收缩段形式，金属框段与复合材料加筋壁板呈75°的夹角，如图2所示。

图1 Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件Fig.1 Specimen of composite Ω type stiffened panels

框和壁板之间用HST11系列钛合金抗剪型100°沉头高锁螺栓连接，配合使用HST79系列抗剪型铝合金高锁螺母；前段框和后段框之间用6个NAS68系列钛合金长螺纹紧公差六角头螺栓连接，配合使用MS21042系列钢六角凸缘自锁螺母[10]。中间两个螺栓分别连接前后段角盒。试验件前后段对接区域如图3所示。

前段和后段Ω型加筋壁板的复合材料单向带铺覆而成，复合材料蒙皮的铺层为[45/-45/0/45/-45/90]2S，复合材料长桁的铺层为[45/-45/02/90/0]S，复合材料蒙皮两端加厚区复合材料铺层为[（45/-45/0/90）3/0/45/-45/0/90/0]S，复合材料单向带的材料性能如表1所示。前段连接框、后段连接框、连接角盒材料采用铝合金材料7075-T7451。

1.2 试验装置

Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件共计3件，共进行3组试验。试验在YGD-500型电子试验机中进行，电子试验机上下平台分别装有加载接头。为保证加载过程中受力均匀，设计了金属材料的加载夹具。试验件加载端的蒙皮和长桁通过两排螺栓与加载夹具连接，试验件与加载夹具连接处的复合材料蒙皮铺层加厚。加载接头与加载夹具中间有连接夹具，如图4所示。整体Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件装置要与电子试验机上下平台保持垂直，避免引起附加弯曲。加载点要通过Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件装置的型心，避免引入偏心弯矩[9，11]。

Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件共布置了65个应变片，分别测量前段和后段Ω型复合材料加筋壁板、前段和后段连接框、连接角盒的应变水平。

2 试验分析

2.1 试验过程

电子试验机下接头固定，上平台向上运动进行加载，按图4所示方向以恒定速率（使试验件在3～6min破坏）对试验件施加拉伸载荷，直至试验件破坏。试验过程中记录破坏载荷值、破坏模式、应变及位移，并绘制载荷-位移曲线。试验过程中当施加载荷小于20kN时，每间隔5kN测量一次应变；当施加载荷大于20kN以后，每隔2kN测量一次应变。

2.2 试验结果

Ω型加筋壁板前后段连接结构在拉伸载荷下的破坏试验一共进行了3组，每组试验件的破坏载荷和破坏模式见表2。

以第2组试验为例说明试验过程：试验开始后，随着拉伸载荷的增大，试验件承受的载荷逐步增加。当载荷达到4.5kN时，试验装置发出响声，观察试验件，未发现任何裂纹。载荷继续增大，在到达41.7kN前，能听到零星微弱响声，试验件皆未出现裂纹。当载荷增大至41.7kN时，试验件前后段连接区域发出很大响声，同时冒出白色烟雾，前后段连接框分开。近距离观察看到2个角盒的连接螺栓均断裂，同时框的转角区域发生断裂，如图5所示。

图2 倾斜结构示意图Fig.2 Sloping structure

图3 试验件前后段对接区域Fig.3 Connection region of specimen

图4 试验件装置示意图Fig.4 Experiment equipment for specimen

表1 复合材料单向带性能数据

表2 试验件破坏载荷和破坏模式

汇总试验数据，绘制载荷-位移曲线，如图6所示。

观测整个Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件的应变水平，在38kN载荷下，加筋壁板、连接高锁螺栓的后段框的应变水平较低，全部低于1000με；螺栓连接的前后段对接处框的应变水平最高，高于3000με；其他位置应变水平介于1000～3000με之间。

3 结论

（1） 试验件中破坏的螺栓都是连接角盒的螺栓，表明中间两个连接角盒的螺栓在传递前后段载荷中起主要作用，两侧的4个螺栓在传递前后段载荷中起次要作用。

（2） 从Ω型加筋壁板前后段连接结构试验件的应变水平看出，载荷通过角盒传递到框上，角盒改变了载荷的分布，在传递载荷中起了很大作用。

（3） 试验件的破坏形式都是中间的抗拉螺栓破坏，并且连接框的转角处断裂，表明这两处地方是结构最薄弱环节。如需增加试验件的承载能力，考虑选用抗拉能力更强的紧固件，并增大框的转角半径。

图5 试验件破坏示意图Fig.5 Specimen failure state

图6 载荷-位移曲线Fig.6 Load-displacement curve

参 考 文 献

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