浅析飞机压弯结构件失效工程分析

浅析飞机压弯结构件失效工程分析

刘玄

中航通飞研究院有限公司广东珠海519040

摘要：通过查阅国内、外相关飞机强度分析手册、资料，详细总结了压弯结构件的失效模式，及其工程分析方法，并形成了完整的强度计算分析流程。为实际工程中存在的类似问题提供了切实可行的解决手段，对飞机强度设计工作具有一定的参考意义。

关键词：压弯结构件；附加弯矩；二次弯矩；失效分析

1.概述

压弯结构件是指同时承受轴向压缩载荷和弯矩的构件。一般而言，单独承受轴向压缩载荷的构件称之为“柱”，单独承受弯矩的构件称之为“梁”，显然，压弯构件同时具有柱和梁的特点。因此，一些文献、手册也将压弯构件称之为“梁-柱（beam-column）”。

压弯构件所承受的弯矩可能是由轴压载荷与它的作用线的偏心距离所产生的，也可能是梁的初始弯曲或者横向载荷所造成的，或是以上这些情况的综合[1]。在实际飞机设计、生产过程中，由于制造误差，以及载荷偏心等，都会使得构件同时承受轴压载荷和弯矩；还有部分飞机结构，如机翼整体油箱的长桁，设计之初就同时承受轴压载荷，以及横向均布油压载荷引起的弯矩。因此，压弯构件在实际飞机结构中广泛存在，对压弯构件失效分析方法的探讨研究，在飞机强度设计中具有重要意义。

2.压弯结构件受载特征

在单独承受弯矩时，如图1所示，在距离左端x处（C点）的弯矩Mc和挠度y都可以通过经典的工程梁理论[2]计算方法来分析。在产生这个变形后，再作用轴向压缩载荷P，在C点的附加弯矩等于载荷P与挠度y的乘积，附加弯矩的作用导致挠度y继续增大，继而又产生更大的弯矩和变形，直到结构达到稳定状态，或者失效破坏。轴压载荷P所产生的附加弯矩和挠度，又称为二次弯矩和变形。

图1压弯结构件受载示意

3.压弯结构件失效模式

通常考虑压弯结构件的下列两种失效模式[1]：

1）轴向压缩载荷P大于构件的压杆失稳临界载荷Pcr，本文称之为失效模式1；

2）轴向压缩载荷P和弯矩（包括横向载荷等引起的弯矩）产生的应力水平大于构件的许用应力，本文称之为失效模式2。

如果压弯结构件没有达到上述任何一种临界失效状态，那么将处于稳定平衡状态受载。

4.压弯结构件工作应力

如前所述，实际弯矩值M是初始弯矩和轴压载荷共同作用的结果，是一个复杂的非线性耦合过程，其理论计算推导过程较为繁琐，工程中一般通过查阅相关手册资料[3]，[4]来确定。

5.许用载荷（应力）确定

失效模式1的许用载荷即为压杆失稳临界载荷Pcr。

对于失效模式2，考虑两种主要的情况[5]：

1）实体梁构件

6.压弯结构件失效分析流程

通过上述分析，得到压弯结构件的许用载荷（应力），以及工作应力，即可分别计算出两种失效模式下的安全裕度：M.S1=Pcr/P-1；M.S2=σadm/σ-1。取其小值作为压弯结构件的安全裕度，即M.S=min（M.S1，M.S2）。具体分析流程如图2所示。

图2压弯结构件失效分析流程

7.结论

总结概括了压弯结构件的失效模式，工作应力，及其许用应力的计算方法，形成了完整分析流程。为实际工程中存在的类似问题提供了切实可行的解决手段，对飞机强度设计工作具有一定的参考意义。

参考文献：

[1]牛春匀实用飞机结构应力分析及尺寸设计航空工业出版社2009年.

[2]刘鸿文材料力学（第4版）高等教育版社.

[3]Roark，R.J.andYoung，W.C.，FormulasforStressandStrain，HillBookCompany（1975）.

[4]Cassens，J.，TablesforComputingVariousCasesofBeamColumns，NACATM985，（Aug.，1941）.

[5]MTS004_C_EADS_STATIC_STRESS_MANUAL.