CAE在抽釘鉚釘連接振動(dòng)疲勞對比試驗(yàn)中的應(yīng)用

 1、概述

 在航空領(lǐng)域，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞問題是廣泛存在的。而目前我國對振動(dòng)疲勞問題的研究還處于初步階段，基礎(chǔ)比較薄弱，對結(jié)構(gòu)振動(dòng)疲勞的機(jī)理沒有準(zhǔn)確統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，也沒有建立起一套系統(tǒng)的試驗(yàn)方法。某型飛機(jī)進(jìn)氣道常出現(xiàn)的蒙皮裂紋、鉚釘松動(dòng)以及掉鉚釘頭等故障即為典型的振動(dòng)疲勞問題。

 某型飛機(jī)進(jìn)氣道由前轉(zhuǎn)接氣道、上管道、下管道以及后轉(zhuǎn)接氣道組成，外場飛機(jī)出現(xiàn)以上故障時(shí)，由于故障部位鉚接環(huán)境差，維修人員無法接近，給維修帶來了很大難度，進(jìn)而造成進(jìn)行拆卸維修耗時(shí)太長并直接影響到飛行任務(wù)。因此，外場中需使用抽釘連接鋁質(zhì)加強(qiáng)片的方法實(shí)現(xiàn)快速維修。為了驗(yàn)證此種方法的可靠性，有必要進(jìn)行進(jìn)氣道抽釘鉚釘連接振動(dòng)疲勞對比試驗(yàn)。

 試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵因素，其方案的優(yōu)劣會(huì)直接影響到能否得到科學(xué)客觀的試驗(yàn)結(jié)果。某型飛機(jī)進(jìn)氣道抽釘鉚釘連接振動(dòng)疲勞對比試驗(yàn)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題在于能否使試驗(yàn)件疲勞部位恰好發(fā)生在所需考核的部位。試驗(yàn)前期，根據(jù)現(xiàn)有的資料與經(jīng)驗(yàn)，將試驗(yàn)件設(shè)計(jì)成T字型懸臂板結(jié)構(gòu)形式，所帶來的問題是試驗(yàn)中設(shè)計(jì)考核部位出現(xiàn)疲勞的概率要遠(yuǎn)小于T字型懸臂板圓角過渡區(qū)部位。所以有必要對試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，保證疲勞部位應(yīng)先發(fā)生在所需考核的部位。

 本文中采用RADIOSS模態(tài)分析模塊分析了T字型懸臂板試驗(yàn)件的振動(dòng)特性，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，為此種結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中存在的圓角區(qū)首先疲勞的問題作出了解釋，進(jìn)而對試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化，得到了一種能夠滿足試驗(yàn)要求的試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式。

 2、前期摸底試驗(yàn)

 （1）試驗(yàn)件及其安裝

 借鑒現(xiàn)有研究資料中振動(dòng)疲勞試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)形式，選擇單端夾持方法進(jìn)行抽釘鉚釘振動(dòng)疲勞摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)件由加強(qiáng)板（LY12-CZ-δ1.2）、蒙皮（LY12-CZ-δ1）和材料為LY12的型材用鉚釘（或抽釘）鉚接在一起，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其中考核部位位于角材上，由2個(gè)3.5mm、90°埋頭鉚釘與2個(gè)牌號(hào)為CR3252-4-03的100°沉頭抽釘組成，其中鉚釘與抽釘交錯(cuò)排列。試驗(yàn)件與夾具的安裝如圖2所示，夾持長度為60mm。

 （2）試驗(yàn)方法

 由于沒有某型飛機(jī)進(jìn)氣道實(shí)際測定的振動(dòng)疲勞載荷譜，故采用共振疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在DC-3200-36振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，分別采用CA-YD-107CM加速度傳感器與4344S壓電加速度計(jì)進(jìn)行振動(dòng)的控制與監(jiān)測。在試驗(yàn)件上的考核部位粘貼應(yīng)變花，并用DH5927信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集分析。應(yīng)變花粘貼位置如圖3所示。

 分別采用6組試驗(yàn)件的一階頻率，利用諧波駐留方法進(jìn)行激勵(lì)共振，恒定加速度為5mm或?yàn)?mm。試驗(yàn)中，當(dāng)共振頻率減小5%或者監(jiān)測點(diǎn)振幅發(fā)生明顯變化時(shí)認(rèn)為試驗(yàn)件疲勞失效。

圖1T字型懸臂板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件

圖2試驗(yàn)件與夾具的安裝

圖3應(yīng)變花粘貼位置

 （3）試驗(yàn)結(jié)果

 試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從中可以看出，6件試驗(yàn)件中有5件圓角區(qū)均出現(xiàn)了裂紋，只有三件疲勞破壞（掉鉚釘頭現(xiàn)象）出現(xiàn)在考核部位，故此種結(jié)構(gòu)形式試驗(yàn)件結(jié)果并不滿足疲勞應(yīng)先發(fā)生在考核部位的試驗(yàn)要求。

表1前期摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4圓角過渡區(qū)裂紋

圖5鉚釘頭脫落

 3、有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)方案改進(jìn)

 （1）模型的建立

 按摸底試驗(yàn)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式建立有限元模型，蒙皮、加強(qiáng)板與角材均采用二維殼單元QUAD4，其相互之間采用RBE2單元模擬鉚釘和抽釘進(jìn)行連接，如圖6所示。

 蒙皮、加強(qiáng)板與角材的材料均為LY12-CZ，彈性模量E=70GPa，密度為2800Kg/m3。

 約束蒙皮和加強(qiáng)板靠夾持端60mm內(nèi)單元6個(gè)自由度，即為單端夾持振動(dòng)試驗(yàn)的邊界條件。

 在RADIOSSBulkData模塊中采用normalmodes對建立好的模型進(jìn)行模態(tài)分析。

圖6有限元模型

 （2）結(jié)果分析與方案改進(jìn)

 a、振動(dòng)特性分析

 圖7與圖8分別是試驗(yàn)件在一階模態(tài)下的相對應(yīng)力與相對位移云圖，雖然位移與應(yīng)力值都不是真實(shí)的，但是相互比較仍然可以說明此結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的一些特性。圖7中可看出一階共振頻率為33.25HZ，與試驗(yàn)中結(jié)果相吻合。

 經(jīng)驗(yàn)表明，與靜疲勞類似，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平是決定振動(dòng)疲勞壽命的關(guān)鍵因素之一，應(yīng)力水平大的部位要更容易出現(xiàn)疲勞。圖7中可以看出，在一階模態(tài)下，試驗(yàn)件相對應(yīng)力最大的區(qū)域在圓角區(qū)與夾持段的根部，為試驗(yàn)中圓角區(qū)總出現(xiàn)裂紋提供了理論依據(jù)。

圖7相對應(yīng)力云圖

圖8相對位移云圖

 b、試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)

 為排除振動(dòng)時(shí)試驗(yàn)件圓角區(qū)出現(xiàn)裂紋對試驗(yàn)造成的不利影響，對試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，加大了圓角半徑，（圖9與圖10）并且利用RADIOSS對單端夾持與兩端夾持振動(dòng)方法分別進(jìn)行模態(tài)求解，分析新結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，為抽釘鉚釘振動(dòng)疲勞對比試驗(yàn)的最終方案提供參考。

 圖11可以看出，在單端夾持的情況下，圓角區(qū)的相對應(yīng)力仍然最大。而圖12中，兩端夾持的情況下，相對應(yīng)力最大的部位出現(xiàn)在蒙皮、加強(qiáng)板與角材三者連接的地方，也即本實(shí)驗(yàn)的考核部位。

 所以，消除圓角區(qū)裂紋不僅要從優(yōu)化結(jié)構(gòu)入手，而且與夾持方式密切相關(guān)。從仿真結(jié)果來看，重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式后，采用兩端加持的方式進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)是比較合理的方案。

圖9優(yōu)化后試驗(yàn)件單端加持             圖10優(yōu)化后試驗(yàn)件兩端加持

圖11優(yōu)化后試驗(yàn)件單端加持相對應(yīng)力云圖           圖12優(yōu)化后試驗(yàn)件兩端加持相對應(yīng)力云圖

 （3）RADIOSS在試驗(yàn)方案改進(jìn)中的作用

 RADIOSS的模態(tài)分析是其分析應(yīng)用中最基本的一項(xiàng)功能，但是在本試驗(yàn)方案的改進(jìn)中起到了關(guān)鍵的作用。模態(tài)分析結(jié)果不僅為試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題提供了理論依據(jù)，同時(shí)也很好的指導(dǎo)了試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式與試驗(yàn)方法的改進(jìn)。如果在摸底試驗(yàn)方案起草的初期使用RADIOSS模態(tài)分析介入設(shè)計(jì)，便可以以較小的代價(jià)、較短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)方案反復(fù)迭代的過程，縮短試驗(yàn)時(shí)間、大幅節(jié)省試驗(yàn)成本。

 4、總結(jié)

 (1)前期摸底試驗(yàn)中出現(xiàn)的試驗(yàn)件圓角區(qū)裂紋問題是由于試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式與夾持方式不當(dāng)引起的；

 (2)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)形式經(jīng)重新設(shè)計(jì)并采用兩端加持方式后能避免試驗(yàn)件圓角區(qū)出現(xiàn)裂紋的問題；

 (3)RADIOSS在本試驗(yàn)方案改進(jìn)中的應(yīng)用大幅縮短了試驗(yàn)時(shí)間、節(jié)省了試驗(yàn)成本，為以后類似試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的模板。

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