[發明專利]一種考慮損傷特性的飛機機翼翼根連接區試驗件

在審

• 申請號: 202111252971.1
• 申請日: 2021-10-27
• 公開（公告）號: CN113859579A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 黃文超;謝里陽;李常有;張修路;許夢濤;張紅狀
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B64F5/60
• 分類號: B64F5/60;B64C1/06
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

一種考慮損傷特性的飛機機翼翼根連接區試驗件，用于驗證機翼下壁板與中央翼盒下壁板連接強度，包括蒙皮、長桁、三叉接頭、支撐肋、加強片及連接帶板；蒙皮設為啞鈴狀；長桁鋪設在蒙皮上表面，長桁與蒙皮為共固化結構；三叉接頭位于蒙皮長度方向中間位置，三叉接頭設在長桁上表面；連接帶板位于蒙皮長度方向中間位置，連接帶板設在蒙皮下表面；三叉接頭、長桁、蒙皮及連接帶板之間設有緊固件；加強片位于蒙皮長度方向端部位置，長桁上表面及蒙皮下表面均設有加強片；支撐肋位于蒙皮長度方向上啞鈴變截面位置，支撐肋位于三叉接頭與加強片之間，支撐肋設在長桁上表面，支撐肋、長桁及蒙皮之間設有緊固件；蒙皮及長桁為復合材料，其余為金屬材料。

技術領域

本發明屬于商用飛機制造技術領域，特別是涉及一種考慮損傷特性的飛機機翼翼根連接區試驗件。

背景技術

在商用飛機研制中，由于制造技術、維修成本等因素，決定了機體結構要分解成幾個主要的部件，然后通過鉚釘、螺栓、耳片接頭等連接在一起。以目前的研制技術，商用飛機整機依舊采用分部段、多組件研發設計和生產裝配。那么，在飛機結構研發過程中，就必須要考慮機械連接的強度設計和驗證。一方面，從連接結構形式來說，商用飛機中連接結構通常比較復雜，在連接形式上包括單剪、雙剪，還會存在多層連接；在被連接件上，存在單一材料屬性結構，可能包含金屬與復合材料的混雜連接。另一方面，機械連接區通常表現為載荷類型和傳遞路徑復雜，多向載荷會導致連接區緊固件剪切或拉脫失效、連接件擠壓或擠壓旁路失效。機體結構的連接區往往是強度分析中關鍵的破壞源，單純依靠現有的解析計算或有限元仿真很難對其進行準確的評估，更不能滿足商用飛機的適航要求。

商用飛機機翼是機體結構中重要的結構部段，飛機在服役期間，主要的升力由機翼產生，機翼所產生的升力轉化為結構內載荷并通過機翼翼根連接區傳遞到中機身。翼根連接區的主要特性體現為：首先，翼根連接區為機體中結構形式最復雜的區域，結構組件包含上下壁板、三叉接頭、十字接頭、長桁接頭以及連接帶板等，多組件在此進行連接，各組件包括緊固件的強度和剛度均需要考核。其次，翼根連接區載荷傳遞形式復雜，外翼所有載荷都要通過此處傳遞給中機身和中央翼盒，彎矩、剪力以及扭矩的聯合作用，使得翼根連接處為飛機強度比較薄弱的位置。最后，無論是波音系列飛機廣泛采用的“土字形接頭+下對接帶板”的連接方案(如圖1所示)，還是空客系列飛機廣泛采用的“下三叉接頭+下對接帶板”的連接方案(如圖2所示)，均習慣采用工程分析方法結合精細有限元模型進行驗證計算。

復合材料由于具有比強度高、比剛度大、可設計性強等優點，已經廣泛的應用到航空航天領域。在民用航空領域，復合材料占民用飛機結構重量的使用量百分比從空客A380的22％，到波音B787、中國商飛CR929的50％，再到空客A350XWB的52％，標志著復合材料已經與鋁合金一起成為現代大型民用飛機結構的首選材料。包含C系列、A380、B777以及B787飛機的翼根連接區均采用了混雜結構連接形式，即復合材料和金屬連接。區別于金屬材料的設計準則，復合材料損傷容限設計中，通常采用“損傷無擴展”原則，認為結構包含目視勉見損傷(BVID)和制造缺陷損傷在整個服役壽命周期不發生損傷繁衍與擴展。基于此原則，就需要在靜強度設計許用值中考慮損傷對結構的強度降，必須通過有效的驗證方法來證明復合材料內部損傷對強度的影響，工程分析方法中并不能考慮損傷的影響，有限元分析方法對損傷的考慮偏于保守，不能給出精準的評定結論。

針對商用飛機翼根連接區的強度驗證，現有技術更多是依賴于工程解析分析以及有限元仿真。首先，工程解析分析方法中，并沒有形成標準的混雜結構分析方法，特別是針對釘載分配的計算、長桁收尾區的計算以及損傷強度評估均需要依靠工程假設，工程半經驗與工程假設疊加勢必會降低分析的準確率。其次，采用有限元分析，計算結果精度受限于單元類型、邊界條件因素影響，釘載分布數值分散性較大，通常預測混雜結構復雜連接區的釘載分布誤差較大，同時采用實體進行復合材料單元仿真會導致非線性分析迭代不宜收斂，不能得到分析結果。因此，解析算法和有限元仿真在計算混雜結構復雜連接區上都存在問題。

發明內容