多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用

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1、2016年5月第42卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMay2016V01．42No．5http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0322多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用宋恩鹏1’4，陆华1，何刚1，王明春1，刘天奇2，鲍蕊2(1．沈阳飞机设计研究所，沈阳110035；2．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘

2、要：针对飞机结构上常见的处于多轴应力应变(比例多轴)状态下的典型结构，采用3种多轴疲劳寿命分析模型，对该结构的疲劳危险部位进行疲劳寿命分析，并与单轴寿命分析方法的分析结果、疲劳试验结果进行了对比分析。首先对该结构进行细节有限元计算，确定结构的应力分布与应力水平，当载荷施加到88％的最大一级的峰值载荷时，疲劳危险部位的孔边即出现显著的塑性应变，因此，选用低周疲劳(LCF)寿命预测模型进行分析。选取的3种分析模型均是基于临界面的分析模型，分别是Wang—Shang模型、Smith．Watson．Topper(SWT)模型以及Morrow-B

3、rown-Miller模型。为验证分析模型工程适用性，开展了该结构的多轴疲劳试验。与试验结果相比，3种分析模型的预测结果均偏大，其中Wang—Shang模型的预测结果最接近试验值，适用于本文这类结构；SWT模型和Morrow．Brown．Miller模型的预测结果误差相对较大。对于处于多轴载荷状态下的结构，应按照多轴疲劳寿命分析方法进行寿命预测，单轴疲劳寿命分析方法将给出过于危险的评定结果。关键词：疲劳；多轴疲劳；应用；飞机结构；寿命分析中图分类号：V215．5文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)05-0906-06飞

4、机结构在飞机服役过程中大部分承力构件都承受复杂载荷的作用。由于复杂载荷的作用，这些承力构件(例如起落架梁、起落架半轴、机翼壁板和发动机悬挂梁等)的受力状态多是典型的多轴应力状态，包括比例多轴和非比例多轴¨’21，其中比例多轴载荷状态是多轴中的一种特殊情况，也是比较常见的一种。采用传统的单轴应力状态的疲劳寿命分析方法来评估这些结构的疲劳寿命将产生较大的误差，因此必须采用基于多轴疲劳失效准则上建立的疲劳寿命分析方法对这些结构进行寿命预测。早期对多轴疲劳的研究，一般是基于一维应力状态的疲劳数据而得出的经验公式，对于疲劳破坏机理却很少考察。研究

5、者一般是将静强度理论推广到多轴疲劳中去，因此出现了等效应力和等效应变的概念，其中应用最广的是VonMises准则与Tresca准则。多轴高周疲劳破坏准则一般是基于应力分析的；而多轴低周疲劳破坏准则一般基于应变分析。本文中所给出的对飞机某典型结构的多轴疲劳寿命分析是基于应变的比例多轴低周疲劳破坏准则。近些年来，对多轴低周疲劳损伤累积和寿命分析方法的研究取得了很大的进展∞’1¨，提出了许多比较有效的多轴疲劳寿命预测模型口气7，10]，并对其工程应用进行了研究∽’1144

6、，此外对于变幅载荷下的多轴疲劳问题同样开展了大量研究旧’81。当前对多

7、轴低周疲劳破坏的损伤累积和寿命预测主要有3种方法：等效应变法、能量法和临界面法¨t“。等效应变法是将某点处的各应变等效为一个收稿日期：2015-05-20；录用日期：2015-08-29；网络出版时间：2015—10—1416：08网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151014．1608．007．html$通讯作者：Tel．：024-26784215E-mail：sep—s@sohu．corn；f用格式：宋恩鹏，陆华，何剐，等．多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用ⅣJ．北京航空航天

8、大学学报，2016，42(5)：906—91I．SONGEP，LUH，HEG，eta1．Applicationofmulti—axialfatiguelifeestimationmethodstoaircraftstructuralcomponents[J]．JournalofBeOingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(5)：906-911(inChinese)．第5期宋恩鹏，等：多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用907应变值。等效应变可以是八面体剪应变、最大剪应变、Vo

9、nMises等效应变等。等效应变法在估算比例加载疲劳寿命方面比较一致，简单实用，易为工程接受。能量法认为塑性功的累积使材料产生了不可逆的损伤，该方法可以成功地处理一些试验数据，但塑性功是标量，不能反映多轴疲