一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法
阅读说明：本技术 一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法 (Method for determining fatigue rating of aircraft stringer and skin connection detail ) 是由 史志俊 王亚芳 纪露明 张联营 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于飞机疲劳计算技术领域,公开了一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法。虑了受剪情况下长桁与蒙皮连接紧固件的排数对疲劳性能的影响,并结合上下蒙皮剪流差计算挤压应力与远端应力比,计算DFR值更准确。(The invention belongs to the technical field of airplane fatigue calculation, and discloses a method for determining a fatigue rating value of connection details of an airplane stringer and a skin. The influence of the row number of the stringer and skin connecting fasteners on the fatigue performance under the shearing condition is considered, the ratio of the extrusion stress to the far-end stress is calculated by combining the shear flow difference of the upper skin and the lower skin, and the DFR value is calculated more accurately.)
技术领域
本发明属于飞机疲劳计算技术领域，尤其涉及一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法。
背景技术
当前在运输类飞机机身长桁与蒙皮连接疲劳寿命计算时，一般采用DFR法计算。一般情况下都认为长桁与蒙皮受相等航向载荷，在结构DFR计算时，采用不传载紧固件结构模式，不考虑结构受剪情况。
但是在某些特殊工况，蒙皮承受的剪应力很大，可能进入了屈曲状态，按照不传载紧固件结构模式计算DFR值，显然没有考虑周全，计算结果也偏于危险。
同时，在计算蒙皮受剪时，未考虑连接紧固件的排数对钉传载荷的影响，使得计算结果存在一定偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法，系统性地考虑了结构的受载情况，同时考虑了受剪蒙皮是否进入屈曲情况，能更加准确计算结构DFR值。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法，所述方法包括：
S1、确定要计算的长桁与蒙皮连接部位，构建地空地循环，并计算在地空地循环过程中不同工况下的长桁与蒙皮连接部位的组合应力σ12，长桁应力σ，第一蒙皮的应力σ1，第二蒙皮的应力υ2，第一蒙皮的剪应力τ1，第二蒙皮的剪应力τ2；其中，第一蒙皮为长桁上部的蒙皮，第二蒙皮为长桁下部的蒙皮；
S2，确定地空地循环过程中不同工况下组合应力的最大值σ12max，长桁应力的最大值σmax，第一蒙皮的最大应力σ1max，第二蒙皮的最大应力σ2max，第一蒙皮的最大剪应力τ1max，第二蒙皮的最大剪应力τ2max；
若第一蒙皮的最大剪应力τ1max或者第二蒙皮的最大剪应力τ2max最大，则执行S3；
若长桁应力的最大值σmax、组合应力的最大值σ12max、第一蒙皮的最大应力σ1max或第二蒙皮的最大应力σ2max最大，则执行S4；
S3，若第一蒙皮的最大剪应力τ1max大，则以第一蒙皮应力为参考应力；若第二蒙皮的最大剪应力τ2max大，则以第二蒙皮的应力为参考应力；根据所述参考应力计算结构细节疲劳额定值DFR；
S4，若组合应力的最大值υ12max大，以组合应力作为参考应力；若长桁应力的最大值σmax大，以长桁应力作为参考应力；若第一蒙皮的最大应力σ1max大，以第一蒙皮的应力为参考应力；若第二蒙皮的最大应力σ2max大，以第二蒙皮的应力为参考应力；根据所述参考应力计算结构细节疲劳额定值DFR。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
1)S1中，
组合应力
长桁应力：
第一蒙皮的应力σ1，第二蒙皮的应力σ2：
第一蒙皮的剪应力τ1，第二蒙皮的剪应力τ2：
其中，FN表示长桁轴力，Fyi，Fy2表示蒙皮沿长桁方向载荷，Fxy1，Fxy2表示蒙皮剪切载荷，Ast表示长桁面积，b1表示第一蒙皮的宽度，b2表示第二蒙皮的宽度，t1表示第一蒙皮的厚度，t2表示第二蒙皮的厚度。
2)S3中，根据所述参考应力计算结构细节疲劳额定值DFR，具体为：
获取临界剪应力τcr，将蒙皮最大剪应力τmax和临界剪应力τcr比较，判断蒙皮是否进入屈曲状态，蒙皮最大剪应力τmax为第一蒙皮的最大剪应力τ1max和第二蒙皮的最大剪应力τ2max的较大值；
(1)若τmax≥τcr，则蒙皮进入屈曲状态，结构细节疲劳额定值DFR按照下式计算：
DFRS＝DFRSbase×K×U×R0
DFRS base＝100/(0.9+0.23τmax/τcr)
将DFRs作为结构细节疲劳额定值DFR；
其中，K表示材料常数，U表示凸台系数，Rc表示构件疲劳额定系数；
(2)若τmax＜τcr，则蒙皮没有进入屈曲状态，则结构细节疲劳额定值DFR按照下式计算：
DFRS＝DFRSbase×A×B×C×D×E×U×Rc
DFRS bae＝121×M×ψ
将DFRs作为结构细节疲劳额定值DFR；
其中，A、B、C、D、E均为修正系数，M表示材料常数，ψ表示载荷传递系数。
3)
对于
对于
其中，τmax表示剪应力的地空地最大应力，d表示紧固件直径，n表示紧固件排数。
4)对于单排螺栓/铆钉连接：
对于多排螺栓/铆钉连接：
其中，(q1-q2)表示τmax对应工况的剪流差的地空地应力，τmax表示剪应力的地空地最大应力，S表示紧固件间距，d表示紧固件直径，n表示紧固件排数。
5)S4中，根据所述参考应力计算结构细节疲劳额定值DFR，具体为：DFR＝DFRbace×A×B×C×D×E×U×Rq。
6)如果是单排紧固件：
对于铝合金结构：
对于钛合金结构：
对于中强钢结构：
其中，A、B、C、D、E、U均为修正系数，Ktg表示结构应力集中系数。
7)如果是多排紧固件：
对于铝合金结构：
对于钛合金结构：
对于中强钢结构：
其中，A、B、C、D、E、U均为修正系数，Ktg表示结构应力集中系数。
本发明所提出的输类飞机长桁与蒙皮连接结构细节疲劳额定值的确定方法，系统性地考虑了结构的受载情况，同时考虑了受剪蒙皮是否进入屈曲情况，能更加准确计算结构DFR值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的某处长桁与蒙皮连接结构剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的长桁与蒙皮连接结构有限元模型示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种飞机长桁与蒙皮连接细节疲劳额定值的确定方法，主要步骤为：
1.采用地空地最大应力判断蒙皮的受载形式，从而给出结构细节疲劳额定值的计算方式；
2.计算过程中考虑了受剪蒙皮是否进入屈曲情况，并给出不同计算方法；
3.在受剪情况下，考虑了长桁与蒙皮连接紧固件的排数，并结合上下蒙皮剪流差计算挤压应力与远端应力比，进而计算DFR值。
具体的，如图1所示，
步骤一、确定要计算的长桁与蒙皮连接部位，构建地空地循环，并计算在地空地循环过程中不同工况下的组合应力σ12，长桁应力σ；蒙皮1的应力σ1，蒙皮2的应力σ2，蒙皮1的剪应力τ1，蒙皮2的剪应力τ2；其中，蒙皮1为长桁上部的蒙皮，蒙皮2为长桁下部的蒙皮。
组合应力计算公式如下：
组合应力
长桁应力：
蒙皮1、2应力：
蒙皮1、2的剪应力：
式中：
FN——长桁轴力
Fy1，Fy2——蒙皮沿长桁方向载荷
Fxy1，Fxy2——蒙皮剪切载荷
Ast——长桁面积
b1，b2——蒙皮1，2宽度
t1，t2——蒙皮1，2厚度
步骤二、比较不同工况下的组合应力的最大值σ12max，长桁应力的最大值σmax，蒙皮1的最大应力σ1max，蒙皮2的最大应力σ2max，蒙皮1的最大剪应力τ1max，蒙皮2的最大剪应力τ2max。
若τ1max或者τ2max最大，则按步骤三计算；
若σmax、σ12max、σ1max或σ2max最大，则按步骤四计算。
步骤三、若τ1max大，则以蒙皮1应力为参考应力；若τ2max大，则以蒙皮2应力为参考应力。
获取临界剪应力τcr，将蒙皮最大剪应力τmax和临界剪应力τcr比较，判断蒙皮是否进入屈曲状态。
(1)若τmax≥τcr，则蒙皮进入屈曲，此时，结构细节疲劳额定值DFR可以按照下式计算：
DPRS＝DFRS base×K×U×Rc
DFRS base＝100/(0.9+0.23τmax/τcr)
将DFRS作为结构细节疲劳额定值DFR，式中：
K——材料常数
U——凸台系数
Rc——构件疲劳额定系数
(2)若τmax＜τcr，蒙皮没有进入屈曲，则结构细节疲劳额定值DFR按照腹板与缘条单剪进行计算：
DFRS＝DFRS base×A×B×C×D×E×U×Rc
DFRS base＝121×M×ψ
将DFRS作为结构细节疲劳额定值DFR，式中：A，B，C，D，E——修正系数
M——材料常数
ψ——载荷传递系数，ψ＞1时取ψ＝1
铆接接头：
螺接接头：
对于单排螺栓/铆钉连接：
对于多排(2排及以上)螺栓/铆钉连接：
式中：
(q1-q2)——τmax对应工况的剪流差的地空地应力
τmax——剪应力的地空地最大应力
S——紧固件间距
d——紧固件直径
n——紧固件排数
步骤四、若σ12maX大，以组合应力作为参考应力；若σmax大，以长桁应力作为参考应力；若σ1max大，以蒙皮1应力为参考应力；若σ2max大，以蒙皮2应力为参考应力。
此时，结构DFR可以按照不传载紧固件结构细节计算：
DFR＝DFRbase×A×B×C×D×E×U×Rc
(1)如果是单排紧固件
对于铝合金结构：
对于钛合金结构：
对于中强钢结构：
(2)如果是多排紧固件
对于铝合金结构：
对于钛合金结构：
对于中强钢结构：
式中：A，B，C，D，E，U——修正系数
Ktg——结构应力集中系数。
实施例一：
步骤一、选取某型飞机某处长桁与蒙皮连接部位作为计算对象。蒙皮材料为2024-T3，厚度1.5mm；长桁材料为7050-T7451，缘条厚度1.5mm，采用单排直径为5的铆钉连接，连接剖面如图2所示。
在全机有限元模型中，如图3所示，找出该部位对应的载荷，并计算组合应力σ12，长桁应力σ，蒙皮1的应力σ1，蒙皮2的应力σ2，蒙皮1的剪应力τ1，蒙皮2的剪应力τ2。组合应力计算公式如下：
组合应力：
长桁应力：
蒙皮1、2应力：
蒙皮1、2的剪应力：
步骤二、找出各应力对应最大值。组合应力的最大值σ12max＝56.3MPa，长桁应力的最大值σmax＝60.8MPa，蒙皮1的最大应力σ1max＝51.6MPa，蒙皮2的最大应力σ2max＝53.7MPa，蒙皮1的最大剪应力τ1mcx＝70.4MPa，蒙皮2的最大剪应力τ2max＝71.6Mpa。蒙皮2的最大剪应力为最大应力。按步骤三进行DFR计算。
步骤三、以蒙皮2应力为参考应力。判断蒙皮是否进入屈曲状态。临界剪应力τcr＝80.78MPa，τ2max＜τor，未进入屈曲状态，按照腹板与缘条单剪进行DFR计算。
DFRS＝DFRSbase×A×B×C×D×E×U×Rc
DPR8base＝121×M×ψ
铆接接头：
对于单排螺栓/铆钉连接：
计算得：ψ＝0.554
铝合金：M＝1
按照相关标准查得各类系数如下：A＝0.95，B＝1.0，C＝1.0，D＝1.0，E＝1.0，U＝1.0.Rc＝1.0
计算得该结构的DFR值为：DFRS＝63,64MPa。
本发明所提出的输类飞机长桁与蒙皮连接结构细节疲劳额定值的确定方法，系统性地考虑了结构的受载情况，同时考虑了受剪蒙皮是否进入屈曲情况，能更加准确计算结构DFR值；本发明所提出的输类飞机长桁与蒙皮连接结构细节疲劳额定值计算方法，考虑了受剪情况下长桁与蒙皮连接紧固件的排数对疲劳性能的影响，并结合上下蒙皮剪流差计算挤压应力与远端应力比，计算DFR值更准确。本发明所提出的输类飞机长桁与蒙皮连接结构细节疲劳额定值计算方法，理论依据清楚，步骤简便，便于计算机编程实现自动化计算。
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