飞机典型结构件的声疲劳试验及破坏分析

典型飞机结构件为蒙皮、框和长桁组成的双向双加筋的九格（3×3）壁板结构声疲劳试件,利用高声强行波管系统,以典型试件中心格的第一阶频率为中心、1／3倍频程为带宽的窄带随机谱激励,再现壁板结构的声疲劳破坏方式。通过原始状态的典型试件的预试验,确定原典型结构件存在严重的设计缺陷,对原结构形式进行了改进,得到各种支持状态下的声疲劳破坏形式。     

热声载荷下薄壁板行波管疲劳分析与试验研究

高速飞行器薄壁结构在高速气流冲击下,产生的热载荷、声载荷、随机振动载荷会使结构产生非线性大绕度动力学响应和高周疲劳破坏。对3组一端固支GH188薄壁板开展行波管热声疲劳试验,研究了温度和声压级对薄壁板的响应及寿命的影响,得到在热声载荷下薄壁结构的频率和动应力响应以及可能产生破坏的危险位置和疲劳寿命。根据耦合的有限元/边界元法对薄壁结构的非线性响应进行数值仿真,采用改进的雨流计数法和Morrow平均应力模型预估结构的疲劳寿命,与试验结果对比:频率响应误差在1%以内,基频应力响应误差在1%～3%,寿命值在3倍左右,验证了热声疲劳寿命预估模型的有效性。随后分析了薄壁结构的热振特性,分析发现:在声载荷和随机振动载荷下,结果基频响应起主导作用,且变化趋势相似,当基频动应力水平相同且主要研究基频附近疲劳寿命时,可用热振试验代替热声试验;当频率较宽时,热振疲劳寿命明显低于热声疲劳寿命。     

铝锂合金加筋壁板剪切屈曲性能

为研究剪切载荷下2A97铝锂合金加筋壁板的屈曲与后屈曲行为,设计了加筋壁板和夹具,完成了壁板的剪切试验;得到了加筋壁板的失稳载荷、破坏载荷以及破坏模式;采用受剪板屈曲与张力场理论计算了加筋壁板的剪切屈曲失稳载荷;建立有限元数值计算模型对加筋壁板屈曲行为进行计算分析,并将数值结果与试验结果对比。结果表明：加筋壁板的屈曲模式为筋条间蒙皮的局部屈曲;加筋壁板的破坏模式为沿加载对角线方向蒙皮的凸起,破坏原因为蒙皮的塑性变形、撕裂以及筋条的扭转变形;利用张力场理论可以得到较准确的屈曲失稳载荷,与试验误差为6.56%;数值模拟得到的屈曲与破坏模式与试验吻合,失稳载荷和极限载荷与试验结果误差分别为1.22%和11.52%。     

复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析

高空长航时无人机的发展给蒙皮壁板结构的轻质设计提出了更高的要求。采用复合材料并基于后屈曲承载能力进行设计是一种可行的设计途径,而复合材料蒙皮壁板的非线性屈曲分析是设计中的关键问题。文中采用Riks弧长法,以长航时无人机3个部位的复合材料蒙皮加筋壁板为例,分析得到了壁板的屈曲特性和后屈曲损伤演变过程。3个关键部位壁板的线性屈曲载荷和后屈曲失效破坏载荷的对比表明,复合材料蒙皮壁板在发生屈曲之后,仍有很强的承载能力。     

某型飞机后机身边条结构故障分析

某型飞机在外场试飞过程中,后机身边条维形段结构连续出现蒙皮裂纹、型材断裂、铆钉松动及掉铆钉头等故障,给飞行安全带来隐患。研究发现,此类故障是由于后机身边条维形段在飞机尾部不稳定扰流环境下,扰流对维形段壁板产生激振导致结构振动疲劳损伤而引起的。通过增强维形段壁板的强度和刚度,可显著降低扰流对维形段蒙皮和铆钉的破坏。经改装飞机几年的飞行表明,后机身边条维形段壁板增强方案有效可行。     

T800碳纤维增强复合材料加筋壁板压缩稳定性试验及工程计算方法验证

国内对T800碳纤维复合材料结构的研究刚刚起步,需要对其加筋壁板的稳定性进行系统地研究.通过改变蒙皮厚度、筋条间距、筋条几何参数等设计8种构型的试验件,进行压缩稳定性试验;考虑侧边边界条件及蒙皮有效宽度的影响,对两种常用的压缩屈曲载荷工程计算方法进行验证.结果表明:在相同筋条面积下,筋条惯性矩提高屈曲载荷增大,加筋壁板的破坏载荷主要取决于壁板的横截面积;蒙皮厚度和筋条间距对屈曲载荷的影响大于对破坏载荷的影响;对于薄蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D-b2/2时,计算值与试验值最为接近;对于厚蒙皮,当侧边简支且蒙皮有效宽度b=D时,计算值与试验值最为接近.     

复合材料加筋壁板多点冲击损伤和高周剪切疲劳试验

为研究多点冲击损伤和高周剪切疲劳对复合材料加筋壁板损伤演化、屈曲行为及破坏模式的影响,制作了9块相同构型的复合材料加筋壁板,设计了冲击试验、高周剪切疲劳试验和剩余剪切强度试验。在多点冲击和高周剪切疲劳试验过程中,使用超声C扫描系统监测了损伤区域。C扫描图像表明损伤区域的长度和宽度随着循环次数的增加而增加。与无预制损伤试验件相比,多点冲击损伤和高周剪切疲劳试验件的平均破坏载荷下降了约50%。冲击或疲劳形成的初始损伤对破坏模式产生影响,冲击疲劳试验件出现了局部蒙皮屈曲变形,破坏裂纹非常接近冲击点。      

某型飞机进气道结构声疲劳研究

飞机结构声疲劳问题是飞机型号研制中的一项技术关键，本文结合飞机进气道蒙皮鼓动、掉卿钉头等危及飞机安全的问题，系统地研制了飞机构声疲劳评估技术，包括习行噪声载荷实测、声疲劳载荷谱编制、结构件声Ｓ－Ｎ曲线测定、典型结构件声疲劳寿命试验，以及声疲疲劳寿命工程估算方法，形成了一种完整的分析与试验引结合的声疲劳寿命工程研究方法。     

方向舵蒙皮的壁板颤振分析

针对某飞机出现的方向舵蒙皮壁板颤振故障引发的振动疲劳裂纹问题，进行了相关的分析计算和修改方案。利用MSC．NASTRAN软件，建立了计算壁板颤振的有限元模型，取前15阶固有振动模态构建模态坐标系下的颤振方程。选用ZONA51超声速气动力计算程序分析壁板的气动力，采用空气密度折半的方法来模拟壁板单面承受气动力的情况。计算结果表明，方向舵蒙皮发生了壁板颤振。通过对方向舵蒙皮结构修改方案的进一步分析，表明修改方案能够满足壁板防颤振设计的要求，并且具有相当大的安全裕量。     

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

一种获得高温声疲劳S──N曲线的新方法

高温声疲劳试验应在行波管上加加温装置来完成,但这种方法费时、耗资大。基于疲劳等效原理,提出在振动台上加加温装置来得到高温声疲劳S-N曲线的一种新方法,其中涉及如下几个方面的问题：试件设计;声学环境模拟;温度场模拟;反射板设计;温度控制及应力、温度测量等等。用上述方法给出了GH140材料的S-N曲线,证明了本方法是简单可行的。     

关于航空发动机结构声疲劳寿命估算方法的探讨

噪声载荷是一种高频、宽带随机载荷,在低循环疲劳寿命预测中被广泛采用的时域计数法很难直接利用。根据现有的累积疲劳损伤理论,噪声载荷下结构疲劳寿命分析的关键在于如何在频域中获得雨流循环的概率密度函数。本文对从疲劳应力功率谱密度出发获得寿命估算所需要的应力峰值或应力雨流循环幅值的概率密度函数的方法进行了分析与比较,并对发动机结构声疲劳分析中值得深入研究及发展的方法给出了建议。      

制定飞机结构声疲劳载荷谱的方法研究

介绍了现用的制定声载荷谱的方法,并在使用状态时间进行归纳的过程中解决了针对倍频程或１／３倍频程声压级分析结果进行归纳的具体方法。按这一方法归纳的声疲劳载荷谱及其软件已成功地用于声疲劳试验     

飞机结构声疲劳分析与抗声疲劳设计

本文应用一种快速分析方法计算了多种飞机典型结构件。用不同结构形状的结构响应频率确定声谱和声疲劳累积损伤率。用一种DSR(细节声额定值)系统确定声疲劳品质。文章最后叙述了飞机结构的抗声疲劳设计。     

结构振动疲劳的工程分析方法

介绍了结构振动疲劳的概念；引入了结构在周期振动载荷和随机振动载荷作用下的振动疲劳曲线；提出了振动疲劳的线性和式累积损伤关系式以及振动疲劳的破坏判据；从工程角度给出飞机结构在随机振动载荷作用下的寿命分析方法，即利用正弦共振S-N曲线进行随机分析的方法以及借用声疲劳分析技术计算随机振动疲劳的方法等。     

航空薄壁结构在噪声载荷作用下振动响应研究

研究薄壁结构在声载荷激励下的随机振动响应问题是进行结构声疲劳估算和设计的基础。从此问题出发,综述了国内外在结构声疲劳方面的研究情况,并对有关模态分析法、数值积分法、统计能量分析(SEA)法及有限元素法等研究方法进行了总结和评价,得到了各方法在计算薄壁结构受声激励时振动响应的各自应用范围。同时也指出了薄壁结构在声载荷作用下振动响应研究所面临的困难。     

燃烧室火焰筒结构在随机噪声作用下的振动响应分析

针对航空发动机燃烧室火焰筒结构声疲劳问题,建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒有限元计算模型。采用耦合的边界元和有限元方法对该结构进行声激励载荷作用下的响应进行计算,获得该结构在不同声压级下的振动位移和应力响应结果,对燃烧室火焰筒结构疲劳故障分析和抗声疲劳结构设计具有一定参考价值。     

基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化

基于自主研发的大规模并行结构化网格CFD求解器PMB3D以及并行化伴随方程求解器PADJ3D，开展了流场/声爆伴随方程的求解研究。首先采用标准算例，对内部CFD代码PMB3D软件和声爆预测代码进行了声爆计算可信度验证，以及声爆强度对近场声压梯度的校核。针对并行环境下多块对接网格的近场声压提取操作的复杂性，提出了"包围盒"的方法实现并行环境下近场声压装配单元编号、网格块编号以及对应的进程编号确定，基于声爆计算坐标将并行传递的数据进行一维排序，为声爆预测、伴随方程以及梯度求解提供输入条件。通过线性插值雅克比矩阵实现均匀坐标系梯度信息向非均匀坐标转换，并进一步根据结构化网格特征提出了插值原则，简化了近场声压转换雅克比矩阵的变分。通过装配单元记录，实现声爆强度对流场守恒变量的变分结果向各个进程装配，将装配结果作为流场伴随方程的右端项实现流场声爆耦合伴随方程的求解。此外，对小型超声速公务机开展了声爆优化，对比分析了设计前后的声压及其频谱特性。     

Estimation method for random sonic fatigue life of thin-walled structure of a combustor liner based on stress probability distribution

As to the sonic fatigue problem of an aero-engine combustor liner structure under the random acoustic loadings,an effective method for predicting the fatigue life of a structure under random loadings was studied.Firstly,the probability distribution of Von Mises stress of thin-walled structure under random loadings was studied,analysis suggested that probability density function of Von Mises stress process accord approximately with two-parameter Weibull distribution.The formula for calculating Weibull parameters were given.Based on the Miner linear theory,the method for predicting the random sonic fatigue life based on the stress probability density was developed,and the model for fatigue life prediction was constructed.As an example,an aero-engine combustor liner structure was considered.The power spectrum density(PSD) of the vibrational stress response was calculated by using the coupled FEM/BEM(finite element method/boundary element method) model,the fatigue life was estimated by using the constructed model.And considering the influence of the wide frequency band,the calculated results were modified.Comparetive analysis shows that the estimated results of sonic fatigue of the combustor liner structure by using Weibull distribution of Von Mises stress are more conservative than using Dirlik distribution to some extend.The results show that the methods presented in this paper are practical for the random fatigue life analysis of the aeronautical thin-walled structures.     

进气道结构完整性评定技术研究

进气道结构完整性评定是飞机结构平台研制关键技术,确保整个寿命期的飞机安全。介绍了先进歼击机进气道结构及载荷特点。研究了进气道结构完整性评定的两项关键技术:即基于结构几何非线性数值分析的结构总体和细节参数的确定技术和声疲劳试验件的设计及声载荷谱的制定技术。提出了技术解决方案并给出了成功应用实例。