面向疲劳性能的腹板开孔加强结构形状与尺寸参数分析与设计

论文摘要

壁板和腹板结构作为重要的承力结构,被广泛应用到各个领域。由于工艺或者结构设计的要求,需要对壁板或者腹板开孔。例如飞机设计的过程中,为了满足减重、维修、管线通过等需求,需要在壁板上开孔。但是开孔会导致孔边应力集中,造成结构的强度变化,在开孔处发生疲劳破坏。对结构的孔边进行加强,是减少应力集中的一种常见方案。但是对加强结构的研究较少,往往依靠经验,细致的探究较少。因此探究加强结构对疲劳寿命的影响具有重要价值。本文通过实验分析和有限元分析相结合的方式,借助实验结果验证疲劳寿命预测方法的准确性。通过疲劳寿命预测方法,分析加强结构的形状和尺寸对疲劳寿命的影响。(1)腹板开孔加强结构静态性能的数字图像相关实验及有限元分析模型的建立与验证。首先设计并加工了多种典型的不同加强结构的开孔腹板试件,通过基于数字图像的数字图像相关实验,测试了不同加强结构的试件在静态载荷作用下的位移、应变分布;基于有限元方法,建立了含加强结构的开孔腹板静力学性能分析模型,并基于该模型分析了试件在静态载荷下的位移、应变分布情况。将有限元分析与数字图像相关实验获得的不同加强结构的位移云图、应变分布云图进行对比分析,发现二者的趋势相同,大小一致,从而验证有限元分析模型的准确性。通过数值分析获得不同加强结构构件的应力分布情况,计算获得孔边的应力集中系数。将应力集中系数和构件裂纹萌生寿命进行比较,可知应力集中系数反映了试件裂纹萌生寿命的高低。(2)腹板开孔加强结构的疲劳试验及疲劳寿命预测方法验证。通过疲劳试验获得了不同加强结构的试件的疲劳寿命。通过实验可以发现,加强结构对于疲劳寿命有很大的影响。对于相同加强结构的试件,在裂纹扩展速率的双对数坐标下,裂纹扩展速率与裂纹长度成线性关系。同时通过疲劳实验结果,对比试件的裂纹萌生寿命,验证了孔边应力集中系数的大小反映裂纹萌生寿命高低。借助Franc3D软件,通过对含预制裂纹的试件模型施加合适的边界条件,建立了一种快速高效的裂纹扩展寿命预测方法。借助这种方法,分析不同加强结构腹板的裂纹扩展寿命,并与疲劳试验的结果进行了比较,验证了方法的准确性。在计算裂纹扩展寿命的过程中,分析了裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ随着裂纹扩展的变化情况。(3)加强结构的形状与尺寸对疲劳寿命影响的分析与优化。借助疲劳寿命预测方法,分析了加强结构的宽度和厚度对于不同加强结构的疲劳寿命影响,得到了不同加强结构的宽度和厚度对于疲劳寿命影响的曲线图。之后探究了加强结构具有相同体积或相同截面积时,不同形式的加强结构对于疲劳寿命的影响,发现双侧加强结构具有较低的应力集中系数,得出了双侧加强结构具有较高的裂纹萌生寿命和较高的裂纹扩展寿命的结论。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 于萌

导师: 刘书田

关键词: 开孔腹板,加强结构,疲劳寿命,形状设计,尺寸设计

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 大连理工大学

分类号: O343.4

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001031

总页数: 75

文件大小: 3823K

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