一种结构件R区清根的结构补偿方法研究

杜娟，冯栓义，辛志东

（中航飞机汉中飞机分公司，陕西 汉中 723000）

1 概述

某飞机后大门在开关大门时，要先将后大门落在开口侧L型大梁水平缘条上，L型大梁缘条R圆角应为2.5mm,现R圆角为1mm(即该结构件R区清根)，该结构部位主要承受机体气密载荷和外载荷，清根后增大了缘条根部应力集中，既清根对该结构的疲劳寿命影响较大，本文通过应力疲劳分析，缘条清根后疲劳寿命不够，为了弥补R圆角缺失引起的应力集中，改变疲劳危险部位，增加疲劳寿命，选定一种特制角盒，由特制角盒立筋受拉传递缘条突缘气密载荷，降低缘条自由突缘弯曲应力，弥补缘条R圆角缺失导致的疲劳寿命降低，使其能同时满足结构安装及强度设计要求。

2 结构补偿方法及影响分析

2.1 结构补偿方法

某飞机后大门开口侧L型大梁缘条在传递载荷时，圆角的缺失对缘条应力集中的影响非常明显。由于缘条已装机，拆卸更换涉及很多零件的配合协调，增加角盒零件可以提高该型材（超差R角减小后）根部的抗弯曲能力和降低根部应力集中，从而增加疲劳强度。特制加强角盒，每两个框之间单侧型材等距安装2个加强角盒，用角盒立筋对缘条R圆角的缺失进行补强。

2.2 结构补偿影响

特制加强角盒后，对飞机的影响主要涉及后大门的开关这个功能性影响，飞机重量影响，维护性影响，后大门的气密性影响，安装工艺性影响等。

（1）功能性影响。结构在原有缘条上增加了28个角盒后，由于增加角盒在缘条R区，飞机后大门的开关在缘条的水平面上，不影响后大门的开关，既增加角盒对机身后大门的开关这个功能性无影响。

（2）重量影响。结构增重估算：结构增加了28个角盒重量和连接标准件重量。单个角盒重量0.05kg，角盒总重1.4kg；标准件增重约0.4kg，因此结构总增重1.8kg左右。且在50～58框间均匀分布，对整个后机身重量重心影响不大，增加的这些重量对于军用运输机是可以接受的。

（3）维护性影响。新增加强角盒零件结构形式同机身其他框位处角盒形式，是机身固定结构件，不增加额外维护工作，维护性同原大梁结构。

（4）后大门气密性影响。新增加强角盒蒙皮方向尺寸经过协调，安装后不会对后大门密封带产生摩擦和刮蹭，因此对后机身结构气密无影响。

（5）安装工艺性。安装加强角盒时，因为，每个隔框之间已有为了下部缘条和侧腹板连接安装的工艺口盖，因此可以借助原有口盖完成加强盒与侧腹板的结构连接。内部螺栓安装时，原有结构能够保证有足够的工艺通道。

3 结构强度评估

3.1 静强度评估

缘条的静强度计算模型相当于一个悬臂梁，圆角R的缺失相当于在圆角处截面积的减少，应力会相应地增大。缘条R圆角为2.5mm时，缘条截面面积：F=261.56mm2，R圆角为1mm时截面面积：F=261.12 mm2。缘条R圆角为2.5mm时强度σR=2.5=S/FR=2.5，缘条R圆角为1mm时强度σR=1=S/FR=1，强度损伤比 σR=1/σR=2.5=（S/FR=1）/（S/FR=2.5）=261.12/261.56=0.998，静强度损伤了0.168%，缘条剖面面积略有损失，在受轴向载荷时缘条应力有所增加，但增加量非常小，静强度基本无影响。

3.2 寿命评估

为评估缘条R圆角缺失对寿命的影响，用ABAQUS有限元分析软件建立两个有限元模型，两个模型唯一的不同之处是一个R圆角为2.5mm，一个R圆角为1.0mm，其余材料属性，边界条件均相同。材料弹性模量E取71000MPa，泊松比ν取0.3，网格类型选择C3D8R，125600个网格单元，简支约束一面，约束型材两端x方向位移，在型材面内施加所受的外载荷1893.3N及气密载荷600N，共2493.33N。

有限元计算分析结果：有限元计算结果显示，圆角处应力最大，为零件疲劳危险部位，圆角R为1.0mm模型，最大应力为145.4MPa；圆角R为2.5mm模型，最大应力为130.9 MPa。载荷在通过缘条根部传向约束处时，缘条根部截面突变，应力集中高，有限元计算结果最大应力都在缘条根部，圆角R=2.5mm的应力明显大于圆角R=1mm的应力，与前期分析一致，有限元计算结果可信。

型材在承受一定的气密载荷时，型材是以弯曲的形式传递载荷，在型材圆角位置产生一定的应力集中，使得疲劳性能降低，适当的圆角过渡可以降低应力集中，从而提高疲劳寿命。

疲劳评估：疲劳寿命的评估有名义应力法，应力严重系数法，局部应变法，场强法等，鉴于缘条R圆角的缺失通过名义应力法就可以体现出来，选择名义应力法对缘条R角进行寿命评估。

采用名义应力法估算零件的疲劳寿命：

名义应力

σn=6M/bt2=6×2493.33×11.5÷400÷（2.5）2=68.81MPa

圆角R为1.0mm应力集中系数K1=145.4÷68.81=2.11

圆角R为2.5mm应力集中系数K2=130.9÷68.81=1.90

应力集中系数比η=K1/K2=1.11

工程上常用的铝合金疲劳寿命方程为SαN=C，其中α、C为材料常数，则圆角R=1.0mm的疲劳寿命与圆角R=2.5mm疲劳寿命的关系式为：

材料LY12铝合金的α一般取5～7，现取α为5。

N2=0.59N1，即圆角R=1.0mm的疲劳寿命等于圆角R=2.5mm疲劳寿命的59%，

其中：N1为圆角R=2.5mm的疲劳寿命，S1为N1对应的应力，N2为圆角R=1.0mm的疲劳寿命，S2为N2对应的应力。查LY12材料的S-N曲线的等寿命曲线及上节有限元计算，保守取应力集中系数Kt为3，一次飞行2次开关后大门，疲劳分散系数取4，最小应力为0MPa，圆角R=1.0mm时最大应力为145.4MPa,寿命为13750次起落，有圆角R=2.5mm时最大应力为130.9MPa，寿命为25000次起落。针对零件圆角R=1.0mm过渡疲劳寿命不足，现增加特制角盒，设计特制角盒立筋受拉传递气密载荷，降低缘条自由突缘弯曲应力，改变载荷传递路径，降低缘条圆角位置应力集中。

在依据结构加强方案，建立有限元模型，约束、载荷施加均和超差未加强模型（缘条R圆角为1.0mm）相同。螺栓连接是机械结构中最常用的连接方式之一，它的有限元模拟仿真是有限元仿真分析中比较复杂的问题之一。对于螺栓的有限元模拟仿真通常有以下几种方法：（1）采用梁单元模拟，并耦合自由度；（2）采用多个弹簧元模拟，设置弹簧元的刚度系数；（3）采用三维实体建模，设置接触，绑定，施加螺栓预紧力来模拟。根据模型结构主要考核缘条R圆角缺失对疲劳寿命影响的实际情况，螺栓本身及加强角盒只是进行传力，不是本文的考核重点，因此，本文在建立有限元应力分析模型时，直接选用梁单元来模拟螺栓连接。螺栓连接计算选用国际上公认先进的非线性有限元分析软件ABAQUS，把CATIA模型导入有限元分析软件ABAQUS中，建立有限元模型。在有限元模型网格划分时，对重点连接部位进行局部网格加密处理。

有限元计算结果显示，增加了加强角盒，改变了结构的传力路径，降低了缘条的局部弯曲应力，现应力最大部位在角盒立筋位置，缘条圆角位置上最大应力降为98.91MPa，比原圆角R=2.5mm缘条最大应力130.9MPa小，满足疲劳寿命要求。由有限元分析计算结果可以看出，通过在缘条上增加一定数量的角盒，水平缘条上的气密载荷通过角盒传向竖直边，使得缘条根部应力大大降低，即由特制角盒立筋受拉传递缘条突缘气密载荷，降低缘条自由突缘弯曲应力，弥补缘条R圆角缺失导致的疲劳寿命降低，使得缘条根部不是疲劳危险部位。

4 结语

综上所述，缘条根部过渡圆角R清根后，应力集中系数增大，疲劳寿命降低很多，不能满足飞机零件寿命要求，通过增加特制角盒，设计特制角盒立筋受拉传递缘条突缘气密载荷，降低缘条自由突缘弯曲应力，弥补缘条R圆角缺失导致的疲劳寿命降低，能够满足设计要求。经结构补偿的影响分析、静强度分析、疲劳评估，可知，结构处理方案能够满足强度设计要求。