基于损伤力学的飞机铆接结构疲劳损伤分析

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1、第43卷第4期2013年7月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．43No．4Jul．2013基于损伤力学的飞机铆接结构疲劳损伤分析严素欣，黄其青，殷之平，李国锋，张君男(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：将损伤力学一有限元方法应用于飞机襟翼蒙皮铆接结构的改进设计中，得到了结构改进前后的疲劳损伤演化过程和疲劳寿命。并通过分析损伤场的演化来研究铆接细节的改进对于铆接结构疲劳性能的影响；对改进前后的铆接试验件进行疲劳试验，并与损伤力学方法分析结果进行比较，验证了方法的正确性。关键词：损伤力学；有限元；铆

2、接结构；疲劳损伤累积中图分类号：0242．21文献标识码：A文章编号：1671-654X(2013)04-0043-04AnalysisofFatigueDamageofAircraftRivetedStructureBasedonDamageMechanicsYANSu-xin，HUANGQi—qing，YINZhi—ping，LIGuo—feng，ZHANGJun—nan(SchoolofAeronautics，NorthwestPolytechnicalUniversity，Xi7口n710072，Ch／舢)Abstract：Inthispaper，

3、thedamagemechanics—finiteelementmethodisappliedintheassessmentofair-craftrivetedstructuredesign．Theprocessoffatiguedamageevolutionandvaluesoffatiguelifeareob·tainedrespectivelybeforeandaftertheimprovementofdesignscheme；Andthenthefatigueperformancesofrivetedstructurebeforeandaftert

4、herivetingdetailsimprovementarecomparedbyanalyzingtheevoh-tionofthedamagefields．Toconfirmthevalidityofdamagemechanicsanalysisresults，fatiguetestsonrivetedstructurearetaken．ThatthetestresultsaleconsistentwithdamageMechanicsanalyticalones．Keywords：damagemechanics；finiteelement；rivet

5、edstructure；fatiguedamageaccumulation引言在外场使用过程中，飞机的襟翼、进气道，经常有蒙皮开裂的现象产生，损伤的主要原因是因为制窝的深度没有得到控制，铆接部分的设计不合理。飞机铆接件的铆钉孔处应力集中严重，容易发生疲劳损伤，其疲劳失效将直接影响飞机的飞行安全。为了降低襟翼、襟翼舱蒙皮和进气道蒙皮裂纹出现的概率，延长疲劳寿命，可对铆接细节进行改进设计。目前，在工程应用中，通常要对构件进行大量的疲劳试验，并以此统计为基础的经验公式¨o对结构改进前后的疲劳性能进行计算分析。为了在结构设计阶段能够方便地预估结构件的疲劳寿命，分析

6、设计方案的成败，需建立一种损伤累积理论来描述结构件的疲劳破坏过程。本文基于损伤力学一有限元法，开发了ABAQUS—UMAT程序，对改进前后铆接结构的疲劳裂纹萌生寿命进行了预估，得到了结构件的损伤演化过程，并通过对损伤场的分析来研究铆接细节设计的改进对于结构疲劳寿命的影响，最后通过疲劳试验对损伤力学方法的分析结果进行了验证。l损伤力学一有限元方法理论1)疲劳损伤演化方程⋯丽dD=p旦+1／＼2上El九南)2．o+2(盯弘仃m2p+2)(1)盯壤=O't／tO(1一D)u¨7(2)式中，Ⅳ为应力循环次数；O'Me为材料受到最大载荷时对应的等效应力；tr小为材料

7、的应力门槛值；叮棚为无初始损伤时对应的应力门槛值；y为调节参数；a，P是材料损伤参数。材料参数拟合方法参见文献[2]，材料试验数据参见文献[3—4]。2)全耦合疲劳损伤有限元计算"’本文在UMAT材料子程序中采用Sidorofiff提出的各项异性损伤模型，假设损伤主轴和应力、应变主轴三者互相重合，材料初始状态为各向同性弹性体，加载后收稿日期：2013—03—06修订日期：2013—06—22基金项目：国家自然科学基金项目资助(5117462)作者简介：严素欣(1988一)，女，河北衡水人，硕士研究生，主要研究方向为结构疲劳断裂。航空计算技术第43卷第4期由

8、于损伤的存在而显示出材料的正交各向异性。参照无损材料本构关系和三维