機身壁板軸壓載荷作用下屈曲試驗研究

張國權 陳衛(wèi)衛(wèi)

摘要：本文以運輸類飛機的機身壁板為研究對象，對其進行軸壓壓載荷作用下屈曲的試驗研究，通過引入分散率的控制方法，得到了合理的壁板軸壓初始屈曲載荷及破壞載荷。同時對運輸類支線飛機機身蒙皮軸壓彈性屈曲穩(wěn)定性控制要求進行了探索，得到合理的控制為后續(xù)的設計工作提供參考。

關鍵詞：彈性屈曲;屈曲試驗;機身壁板

中圖分類號：V214文獻標識碼：B

1 概述

現(xiàn)代運輸飛機機身結構大多采用鉚接壁板形式，為得到輕薄而又安全的壁板結構，需要進行大量的壁板結構試驗研究。[1]-[5]臧偉鋒[3]介紹國內(nèi)外機身壁板強度試驗技術，給出機身壁板試驗技術研究的建議。孫為民[4]-[5]等人對軸壓壁板的破壞模式進行探索研究，得到相應壁板破壞載荷。

本文以運輸類飛機的機身壁板為研究對象，對其進行軸壓屈曲的試驗研究，采用分散率控制方法方式，得到了合理的壁板軸壓初始屈曲載荷和破壞載荷。同時對運輸類支線飛機機身壁板軸壓蒙皮彈性屈曲穩(wěn)定性控制要求進行了探索，為后續(xù)的結構設計工作提供參考。

2 試驗概述

選取機身典型薄壁壁板作為研究對象。蒙皮采用2524材料化銑蒙皮;長桁采用7150材料擠壓件。試驗在壓縮試驗機YY200A上進行。將試驗件的上下兩端分別固定在端部支持夾具中，再將安裝好的試驗件垂直放置在試驗機加載平臺上，利用試驗機的壓縮平臺直接施加壓縮載荷。載荷合力作用點（試驗機加載中心）與壁板截面形心一致。軸壓試驗約束與加載示意圖見下圖，試驗件主要尺寸見表1。

3 試驗結果及分析

由于制造精度等多方面因素影響，會對試驗結果產(chǎn)生影響，尤其對于薄壁蒙皮，初始屈曲載荷對幾何缺陷比較敏感。[5]所以采用分散率來保證試驗載荷的合理性。壁板軸壓和破壞載荷見表2。

比較相同支持條件、相同蒙皮厚度的在機身壁板在不同長桁間距（10#與20#比較）試驗結果，其中10#長桁間距為140mm、20#長桁間距為130mm。可以發(fā)現(xiàn)，長桁間距的變化，對蒙皮初始屈曲載荷的有影響，且長桁間距小的壁板承受的初始屈曲載荷越大。

比較相同支持條件、相同長桁間距的在機身壁板在不同蒙皮厚度（10#與40#比較）試驗結果，其中10#蒙皮厚度為13mm，40#蒙皮厚度為1.1mm，可以發(fā)現(xiàn)蒙皮厚度的變化對初始屈曲載荷的影響較大，且蒙皮越厚的壁板初始屈曲載荷越大。

在現(xiàn)代飛機設計中，一般采用使用載荷或設計載荷的某個百分比對蒙皮初始屈曲載荷進行要求控制，[2]所以探索試驗件破壞載荷和初始屈曲載荷的關系是有必要的。試驗件屈曲載荷和破壞載荷比例關系見表3。

從表3可以看出，對于薄壁機身試驗件初始屈曲大部分發(fā)生在破壞載荷的30%以下，因此，在現(xiàn)代運輸類支線飛機設計中，采用極限載荷的30%來控制非開口區(qū)蒙皮軸壓彈性穩(wěn)定性是合理的。也就是說，工程方法計算的軸壓彈性失穩(wěn)應力許用值應大于飛機在極限載荷的30%作用下蒙皮（非開口區(qū)）所受到的應力。

4 結論

本文以運輸類飛機的機身壁板蒙皮為研究對象，得到初始屈曲載荷和破壞載荷，得到以下結論：

1）機身壁板初始屈曲載荷跟蒙皮厚度和長桁間距有關，蒙皮越厚的壁板初始屈曲載荷越大，長桁間距小的壁板承受的初始屈曲載荷越大。

2）試驗中引入分散率的控制方法，得到合理的壁板軸壓初始屈曲載荷和破壞載荷，并對運輸類支線飛機機身蒙皮軸壓彈性屈曲穩(wěn)定性控制要求進行了探索，采用極限載荷的30%來控制非開口區(qū)蒙皮軸壓彈性屈曲穩(wěn)定性是合理的，為后續(xù)的飛機設計工作提供參考。

參考文獻：

[1]航空工業(yè)編委組.飛機設計手冊（第九冊）[M].航空工業(yè)出版社，2001.

[2]崔德剛結構穩(wěn)定性定設計手冊[M].航空工業(yè)出版社，2006.

[3]臧偉鋒，張海英，董登科.機身壁板強度試驗技術研究[C].第23屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅱ冊）2014：488-492.

[4]孫為民，童明波，董登科.加筋壁板軸壓載荷下后屈曲穩(wěn)定性實驗研究[J].實驗力學，2008，23（4）：333-338.

[5]孫為民，童明波，董登科.壁板軸壓后屈曲計算與結構敏感度分析[J].中國機械工程，2009，20（7）：812-816.

作者簡介：張國權（1985-），男，工程師，主要研究方向為飛機結構強度設計。