鋁鋰合金機(jī)身壁板抗剪切能力對(duì)比

1、鋁鋰合金機(jī)身壁板抗剪切能力對(duì)比隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，飛機(jī)已經(jīng)成為人們外出旅行的首選工具。隨著材料科學(xué)、制造工藝的日新月異，雖然飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有很大的變化，仍然是蒙皮、長(zhǎng)桁、框等結(jié)構(gòu)，但是在制造過程中新工藝、新材料的應(yīng)用，為飛機(jī)設(shè)計(jì)這提供了更為廣闊的空間來改善飛機(jī)的承載能力。因此，本文針對(duì)以鋁鋰合金為主要材料的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)形式與鋁鋰合金和7000系列鋁合金混用的機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)形式的抗剪切承載能力進(jìn)行了有限元分析對(duì)比及試驗(yàn)驗(yàn)證。1 試驗(yàn)方案1.1 試驗(yàn)件基本信息：構(gòu)型一：鋁鋰合金2198-T851蒙皮，高強(qiáng)度鋁合金7075-T62、Z字型鈑彎長(zhǎng)桁。構(gòu)型二：鋁鋰合金2198-T851蒙皮，鋁鋰合金2196

2、-T83、Z字型擠壓長(zhǎng)桁。其中，擠壓長(zhǎng)桁和鈑彎長(zhǎng)桁的剖面面積相同。為了后期的仿真計(jì)算方面，試驗(yàn)件所有的材料參數(shù)見表1。表1試驗(yàn)件的材料參數(shù)1.2 試驗(yàn)支持及加載方案剪切試驗(yàn)最主要的影響因素是如何將剪切載荷施加在試驗(yàn)件上，使試驗(yàn)件呈受純剪切載荷的作用。為了達(dá)到該目的，將試件固定在一個(gè)方框形夾具內(nèi)，方框形夾具的各邊之間采用類似球鉸的連接。夾具的一條邊完全固定、其對(duì)邊懸掛在一個(gè)吊臂上，吊臂的回轉(zhuǎn)半徑與試件的曲率半徑相同。用作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)吊臂垂直于長(zhǎng)桁運(yùn)動(dòng)，吊臂就會(huì)帶動(dòng)試件繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，則試件可以受到純剪切載荷的作用。試驗(yàn)方案如圖1所示。圖1壁板剪切試驗(yàn)臺(tái)照片2 試驗(yàn)分析剪切屈曲載荷主要由蒙皮來承受，因此

3、估算時(shí)估算蒙皮的屈曲載荷即可。蒙皮的屈曲載荷由下式確定：Fcr=KsE”Ks為蒙皮壓縮屈服系數(shù)，E為彈性模量，t為蒙皮厚度，b為蒙皮寬度。式中的Ks由圖2和圖3確定。圖2剪切屈曲系數(shù)（曲板，彎曲邊長(zhǎng)度為b）圖3剪切屈曲系數(shù)（曲板，直邊長(zhǎng)度為b）根據(jù)工程算法，可以得到相關(guān)的結(jié)構(gòu)的屈曲載荷和屈曲系數(shù)。3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比3.1 有限元計(jì)算有限元計(jì)算中，鈑彎試驗(yàn)件單元數(shù)量為127625；擠壓試驗(yàn)件單元數(shù)量為145433。通過有限元計(jì)算可得：鈑彎長(zhǎng)桁壁板在壓縮載荷下破壞位置在壁板中段靠近邊緣的兩根長(zhǎng)桁與蒙皮連接處附近。破壞形式應(yīng)為在張力場(chǎng)的作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)首先失穩(wěn)，但是并不會(huì)降低承載能力。由于結(jié)構(gòu)屬于多長(zhǎng)桁

4、結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在張力場(chǎng)的作用下不會(huì)出現(xiàn)低階屈曲，而是首先出現(xiàn)高階屈曲和局部屈曲，進(jìn)而由于蒙皮的屈曲導(dǎo)致載荷傳遞到長(zhǎng)桁和框上，同時(shí)造成變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)長(zhǎng)桁或者框撕裂的情況。有限元計(jì)算所得兩種構(gòu)型壁板的最大載荷見表2。表2有限元計(jì)算所得兩種構(gòu)型壁板的壓縮破壞載荷3.2 試驗(yàn)結(jié)果壁板剪切試驗(yàn)破壞形式見圖4，圖5。圖4蒙皮沿45度方向發(fā)生屈曲圖5蒙皮與長(zhǎng)桁分離，鉚釘破壞通過對(duì)兩種構(gòu)型壁板多次試驗(yàn)結(jié)果的整理，得出了兩種長(zhǎng)桁形式下的破壞載荷值以及加載端位移數(shù)據(jù)，見表3。表3中的破壞載荷是指試驗(yàn)件在加載過程中發(fā)生斷裂導(dǎo)致承載能力大幅下降時(shí)的載荷；等效破壞載荷是指破壞載荷除以試驗(yàn)件截面面積。表3不同長(zhǎng)桁形式的壁板的剪切破壞載荷從表3中可以看出，擠壓長(zhǎng)桁和鈑彎長(zhǎng)桁受剪切載荷時(shí)破壞載荷相差不大，但擠壓長(zhǎng)桁的加載端位移明顯大于鈑彎長(zhǎng)桁，鈑彎長(zhǎng)桁的等效破壞載荷大于擠壓長(zhǎng)桁，因此可以看出，蒙皮壁板在剪切載荷作用下有相對(duì)更高的承載力。3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比表2、表3可以發(fā)現(xiàn)，由于剪切件給出的有限元模型剛度偏大，試驗(yàn)中的邊界條件相對(duì)較弱，導(dǎo)致有限元分析的結(jié)果較真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果偏大。但是對(duì)比有限元仿真過程與試驗(yàn)加載過程，可以看到二者具有一致性。4 結(jié)論通過有限元計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可看出，壓縮載荷下構(gòu)型2壁板比構(gòu)型1在剪切載荷作用下有相對(duì)更高的承載力