飞机耳片疲劳性能的有限元分析

飞机耳片疲劳性能的有限元分析

刘洁熙 赵晋芳 * 刘畅 包旭濠

沈阳航空航天大学 ， 民用航空学院 ， 辽宁沈阳 110136

摘要：文章以飞机中最常见的含孔结构耳片为研究对象，首先进行参数化建模，在此模型基础上，采用Ansys软件对不同结构耳片进行疲劳性能分析。分析表明，锥角度大的耳片，在危险点出更容易开裂。对飞机耳片结构开展疲劳特性分析有助于提高飞机的稳定性和航行中的安全性，本研究有一定的工程意义。

关键词：飞机耳片；有限元分析；锥度角；应力强度因子

1研究背景及意义

飞机的蒙皮、桁条、翼梁、框等部分之间的各种相互联接和传力都必须通过铆接、螺栓连接等各种形式才能完成。在众多连接件中最常见的就是飞机耳片，飞机耳片在疲劳交变载荷的影响下会产生应力集中，从而致使耳片疲劳损坏的情况频繁发生。因此，对耳片进行疲劳性能研究十分必要。

2耳片的参数化建立

铝合金耳片是一种作为飞机集中载荷传递处使用的连接部件，其频率很高。例如：操作面交叉处、发动机吊挂螺栓、起落架接头、后机身和平尾后梁相互连接的旋转轴线等。在受周期性变化载荷的影响下，飞机耳片的耳孔都会产生应力集中，这就会致使耳片静强度和疲劳损坏的情况频繁发生。所以，耳片结构疲劳特性的分析有助于提高飞机的稳定性和航行中的安全性，并且有着十分重要的意义。

欲对飞机耳片的结构进行研究，首先要确定耳片结构的几何参数，包含外径D_w=30mm，内径D=15mm，底部倒角半径R=8mm，厚度T=6mm，如图1所示。

图1 耳片模型的尺寸参数图

模型简化了耳片底座夹具和销轴两端夹具，只保留典型耳片结构件，模型中省略了耳孔边缘处的倒角以方便分析。

3飞机耳片疲劳性能有限元分析

为便于讨论锥度角对飞机耳片疲劳性能的影响，分别选取锥度角β为0°的直耳片和15°的斜耳进行分析研究。将模型导入有限元软件Ansys进行疲劳性能分析，重点分析其危险点位置和疲劳寿命。给模型施加相应的约束条件和交变载荷后，在软件中点击Solution→Fatigue，进行分析计算。得到直耳片的危险点位置、疲劳寿命分析结果和斜耳片的危险点位置、疲劳寿命分析结果，分别如图2、图3所示。

1. 危险点位置 (b)疲劳寿命

图2 直耳片有限元分析结果

(a)危险点位置 (b)疲劳寿命

图3 斜耳片有限元分析结果

4结论

(1)通过对耳片结构进行参数化建模及有限元分析可得，直耳片和斜耳片结构的危险点位置，疲劳起裂点大多一致，均在耳孔两侧。

(2)通过对不同锥角度耳片的疲劳裂纹寿命进行分析计算可知，耳片危险点的疲劳裂纹寿命随锥角度的增大而减小。

参考文献

1. 殷之平.结构疲劳与断裂[M].西北工业大学出版社,2012.

[2] 陈磊.飞机系统老龄化评估研究[D].中国民航大学,2009.

[3] 黄伟辰,龙江.基于FRANC3D的飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展分析[J].西安航空学院报,2020,38(01):32-38.

[4] 王冲.飞机蒙皮裂纹扩展有限元分析[D].上海交通大学,2012.

项目资助

沈阳航空航天大学创新创业训练计划（项目编号：X202110143041）