飛機蒙皮對接處結構疲勞性能研究

蔡 玲

中國商飛上海飛機設計研究院強度研究部，上海 201210

隨著經濟發展以及航空技術的發展，人們越來越多的選擇飛機出行，飛行安全是至關重要的。在民用飛機空難調查中發現，空難主要存在3類原因，分別為人為因素、環境因素和結構或機械故障。人為因素占80.5%，而結構或機械故障占6.5%。而飛機結構中各個連接部位是重點關注對象，以此降低結構或機械故障出現的概率，提高飛機的安全性，同時也要考慮飛機結構的重量，盡量采用更輕的結構設計，從而提高飛機的經濟性。本文將通過研究蒙皮對接處的疲勞性能，從安全性和經濟性考慮，選擇最佳對接方式。

1 工程背景

在飛機設計中，有大量對接部位，比如：框對接、長桁對接、蒙皮對接等等，對接部位的疲勞性能至關重要。機身上蒙皮有環向對接和縱向對接，本文重點討論機身蒙皮在縱向對縫處的連接形式。當機身承受氣密載荷時，對接帶板與蒙皮連接時就會產生疲勞細節，端部的釘連接處成為危險部位，如圖1所示，對接處連接方式有兩種，第一種是連接板直接和蒙皮連接；第二種在連接板和蒙皮之間增加一層指形板。分析端部釘孔的載荷，第一種為典型的單剪結構，分別采用工程算法和有限元分析，第二種連接方式不是簡單的單剪連接，套用工程算法無法較準確獲得釘載，因此進行有限元建模分析。

2 工程計算

采用航空工程中常用的方法分析第一種連接方式的端部釘孔載荷。通常，飛機結構連接件中的緊固件是成排設計的，而某一端頭的緊固件傳遞載荷最大，旁路載荷也高，使得該緊固件所處的板孔成為疲勞危險細節。

圖1 蒙皮對縫處兩種對接方式

圖2 典型單剪連接

如圖2所示，單剪連接件危險端部緊固件載荷為R，S為緊固件間距（載荷方向）；W1、W2為上板、下板寬度；E1、E2為上板、下板彈性模量；t1、t2為上板、下板的厚度。

每排三顆釘，釘直徑D=4.76mm，S=25mm；，W1=W2=20mm；E1=E2=71000（材料為 2024-T3）；t1=2mm，t2=1.6mm。

F1＝S/（W1t1E1）=7.04×10-6；F2＝S/（W2t2E2）=8.8×10-6

表1 蒙皮對接處結構參數以及緊固件柔度系數

采用解析法計算釘載R，假設加載P=10000N。蒙皮受載一側端部載荷的傳載比R/P=0.3334.

表2 釘的剪力

3 有限元分析

根據圖1中兩種對接結構形式，用PATRAN分析軟件建立所分析結構的有限元模型，連接板、指形板和蒙皮均為SHELL單元，第一種連接形式，采用Y方向每排6顆釘，X方向每排3顆釘；第二種連接形式連接板與指形板連接，采用Y方向每排6顆釘，X方向每排2顆釘，指形板與蒙皮連接處，如圖3和圖4所示。有限元中釘模擬為梁元，但是釋放梁元垂直于受力方向的自由度，以模擬釘的真實受載，在連接板的遠端固支，蒙皮的遠端加集中力模擬受載。

圖3 第一種連接方式的有限元模型

圖4 第二種連接方式的有限元模型

表3 各鉚釘所受剪力表

4 對比結果

根據表3的計算結果可以看出，第一種連接方式：蒙皮受載一側端部釘的傳載比R/P=（555+553+552+560+560+570）/10000=0.34， 根 據 第 2節的工程分析結果，傳載比R/P=0.3344，可檢有限元分析和工程分析結果一致；第二種連接方式蒙皮受載一側端部釘的傳載比R/P=（679+660+677）/10000=0.20，端部載荷降低了40%。

從傳載比的計算結果可以看出第二種連接方式明顯降低了蒙皮端部連接處的傳載比，明顯改善了該危險部位的疲勞細節，而且采用了指形板，達到減重效果，符合運營商的經濟性要求。

[1]雷騰. 民用飛機機身蒙皮對接結構疲勞分析及試驗. 西安航空技術高等專科學校學報，2012，NO. 5