成李南，赵少杰，李新祥，程立平，迟 坚
(1.中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065；
2.中航工业一飞院，陕西 西安 710089)
在飞机结构中，机身壁板是机身结构最重要的构件之一，占机身结构重量的比重较大。因此，提高机身壁板的承载能力、降低其结构重量，是有效减少机身重量的重要内容[1]。
机身壁板的稳定性和承载能力与蒙皮和长桁的结构密切相关。蒙皮和长桁作为承受机身剪切载荷最主要的构件，其设计是机身结构强度设计的一项重要内容。在飞机设计的整个过程中，机身壁板的结构参数需要根据机身载荷和结构布置的变化进行更改[2-5]。
剪切许用应力的确定主要采用试验方法或半经验方法，其中，试验方法是确定剪切许用应力的最佳途径[1]。Tran等[6]总结得出，壁板蒙皮曲率半径及加筋条截面几何参数对壁板线性屈曲及抗压强度极限有影响。
本文针对机身壁板中蒙皮和长桁布置结构优化问题，设计加工了3类不同构型的试件和试验装置，并完成了验证试验。应用工程算法对机身蒙皮初始屈曲载荷和屈曲破坏载荷进行计算，并与试验结果进行了对比。本研究所得的结论为机身壁板结构中蒙皮和长桁的设计提供了一定的试验依据。
针对机身壁板剪切试验方法的研究一直受到国内外研究机构的重视，其核心是试验装置和载荷施加。目前，国内比较成功的机身壁板剪切装置是臧伟峰等[7]设计的“D”形盒，见图1(a)。该方法采用“D”夹具和弓形角盒模拟机身圆筒结构，能较好地模拟机身实际受力情况。该装置已成功应用于民用飞机机身壁板剪切稳定性试验，取得了良好的试验结果。国外有代表性的试验装置为NASA开发的COLTS(Combined Loads Test System)装置，见图1(b)。该装置采用圆筒扭转的方式施加剪切载荷，可施加载荷2720kN，试件两端设计有足够长的过渡段和加载段。
(a)“D”夹具
(b)COLTS图1 机身壁板剪切试验现状
3.1 屈曲载荷计算
机身壁板在剪切载荷作用下发生屈曲后，以对角张力的形式继续承载。曲板张力场结构的典型应用是机身蒙皮壁板，张力场理论是根据一个半经验、半理论的工程方法实现的，其设计计算的要点是计算蒙皮屈曲后的张力对桁条和隔框的附加力及其引起的附加应力[1]。曲板在纯剪载荷下的屈曲应力τcr可由下式计算：
(1)
其中：
(2)
式中，h为长桁间距；
d为隔框间距；
R为曲板的曲率半径；
E为曲板的弹性模量；
υe为腹板材料的弹性泊松比；
t为壁板厚度；
Zb为曲板的曲率参数；
ks为简支曲板的剪切屈曲系数[1]。
3.2 破坏载荷计算
曲板中的张力场角，与曲板、隔框、长桁中的应力、应变有关，张力场在曲板、隔框和长桁中引起的应力、应变可用下列公式计算。
长桁中由张力场引起的应变εst为：
(3)
隔框中的应变εrg为：
(4)
蒙皮的应变ε为：
(5)
曲板张力场角α可由下式表示：
(6)
式中，E为曲板材料的弹性模量；
Est为长桁材料的弹性模量；
Erg为隔框材料的弹性模量；
Ast为长桁剖面面积；
Arg为隔框剖面面积；
当无压扭复合载荷时Rs取为1。
长桁和框对应力的影响量：
(7)
机身壁板许用应力：
(8)
4.1 试件
试件由上下两块壁板和侧梁组成，每块壁板包括6个长桁间距和4个框距。试件壁板两侧均用金属板加强，用于试验支持和加载。试件尺寸为2090mm×1276mm×430mm，剪切壁板试件示意图见图2。试件主要材料牌号：①两边侧梁：2A12-XC11-46型材的缘条，2A12XC111-53型材的立柱和7075-T6的腹板；
②蒙皮：2524-T3的蒙皮；
③框：7075-T62的“Z”形框缘和“L”形剪切片；
④长桁：7075-T73511的挤压长桁，7075-T62的钣弯长桁。试件按蒙皮的厚度及半径、长桁的类型及间距分为3类，每类包含3件相同的试件，所有试件框间距均为530mm，试件的主要尺寸见表1，长桁和框结构示意图见图3。
图2 剪切稳定性试件示意图
图3 长桁和框结构示意图
表1 试件主要尺寸
4.2 试验装置和载荷施加
本文参照NASA开发的COLTS试验装置(该装置曾成功应用于某支线飞机机身壁板剪切试验)，分别在试验件的两端设计支持盒段和加载盒段，盒段由两块机身壁板通过槽型梁相连组成，支持盒段和加载盒段分别通过角盒与试验件相连接，并设计上下拉板，连接于加载盒段两端槽型梁上。试验中，对上拉板施加拉伸载荷，对下拉板施加压缩载荷，采用逐级加载方式，以达到扭转加载盒段的目的。同时设计定位轴，使加载盒段围绕定位轴旋转，而不对试件产生附加弯矩。具体试验装配如图4所示。
图4 试验装配示意图
每个试件在考核区格子中心位置的蒙皮内外侧各布置5个应变花(如图5所示)，内侧应变花编号为n1#～n5#，外侧应变花位置与之对应，背靠背粘贴，方向相同，编号为w1#～w5#。
图5 蒙皮应变花布置
5.1 屈曲破坏
分别对3组试件进行了剪切稳定性试验，试验数据的分散性较好，各组试件的初始屈曲载荷、屈曲破坏载荷如图6所示；
各组试件考核区的载荷-剪应变曲线见图7。
(a)初始屈曲载荷
(b)屈曲破坏载荷图6 屈曲载荷对比
(a)第一组
(b)第二组
(c)第三组图7 蒙皮载荷-应变曲线
5.2 试件屈曲
试件加载前的完好安装状态见图8(a)，试件在加载初期呈纯剪状态，随着载荷增大，格子中蒙皮开始屈曲，进入张力场。在张力场起始阶段，长桁和框开始受力，格子中蒙皮的屈曲波整齐均匀，见图8(b)。随着载荷继续增加，一个波变成两个或者三个波，载荷向试件的主张力线上集中，试件进入塑性屈曲，见图8(c)。随着载荷继续增大，屈曲波穿越长桁，主张力线附近的屈曲波加深，偏离主张力线的屈曲波变浅，试件屈曲破坏，见图8(d)。3组机身壁板试件的变形过程及其破坏模式基本相同。
5.3 结果比较
利用本文前面给出的公式，对3组试件初始屈曲载荷和屈曲破坏载荷进行计算，并和试验结果进行对比。试件蒙皮初始屈曲载荷比较见表2，屈曲破坏载荷比较见表3。
(a)初始状态
(b)初始屈曲
(c)塑性屈曲
(d)屈曲破坏图8 典型屈曲模式
表2 初始屈曲载荷比较
表3 屈曲破坏载荷比较
通过第一组和第二、第三组结果比对可以看出，蒙皮厚度变化对机身蒙皮剪切屈曲有较大的影响；
通过第二组和第三组结果对比可知，长桁间距对机身蒙皮剪切屈曲有一定影响。试验结果与工程算法结果对比偏大，原因有两点：(1)工程算法为保证设计裕度，计算偏保守；
(2)机身壁板试件蒙皮在长桁和框格子里经过铣削加工后变薄，导致承受剪切载荷能力变弱。
由以上分析，可得出如下结论：
(1)蒙皮厚度对机身蒙皮剪切屈曲有较大影响，长桁结构形式对机身蒙皮剪切屈曲影响不大，长桁间距对蒙皮剪切屈曲有一定影响。
(2)试验结果很好地验证了工程算法，同时为机身壁板结构中蒙皮、长桁和框的设计提供了一定的试验依据。
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