损伤孔缺陷对飞机格栅结构机身外壳的力学性能影响

袁子鑫 ,杨帆通讯作者，魏清华，赵晋芳，陈萍，牛西茜

摘要：本文以受孔缺陷损伤的复合材料格栅结构为研究对象，使用有限元分析软件ABAQUS对不同半径、不同位置、不同深度孔缺陷损伤的格栅结构力学性能进行仿真与模拟。结果表明，相对于缺陷孔径和深度的变化，位置变化对格栅结构的力学性能影响较大。

关键词：复合材料；格栅结构；力学性能；孔缺陷

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先进复合材料格栅增强结构(AGS)基本构想是整个结构由加强肋与蒙皮组成，加强肋呈正多边形网格分布，结构表现各向异性。飞机在正常的服役过程中，会因意外冲击、冰雹等遭受损伤。研究飞机受损后结构的残余力学性能，对飞机的使用功能和结构完整性有至关重要的作用。本文依靠数值仿真的方法，对应用于飞机机身的先进复合材料格栅结构受孔缺陷损伤后的力学性能进行分析和研究。

1模型建立

1.1建立格栅结构模型

本文选取了机身格栅结构的一小部分进行力学性能分析。格栅结构实体结构尺寸：长×宽×高=330mm×218mm×30mm。等边三角形胞元长度80mm，肋板厚度为2mm，蒙皮厚度为3mm。

1.2建立含不同孔缺陷的结构模型

建立含不同半径孔缺陷格栅结构模型，在格栅结构上建立孔缺陷，选取中心位置构建孔缺陷具有代表性，在此位置建立孔缺陷半径分别为6mm，9mm和15mm，深度为2mm，不贯穿蒙皮。建立含不同位置孔缺陷格栅结构模型，选取格栅结构中心位置、单个格栅板和节点位置建立孔缺陷，取半径为9mm。建立含不同深度孔缺陷格栅结构模型，选取格栅板与蒙皮相连接位置，探究孔缺陷未贯穿蒙皮（深度2mm）、完全贯穿蒙皮但未贯穿格栅板（深度8mm）、完全贯穿蒙皮和格栅板，孔缺陷半径为9mm时对格栅结构的力学性能影响。

1.3参数设置

根据机身格栅结构的实际工作环境，格栅结构材料设置为玻璃纤维复合材料，弹性模量为15GPa，泊松比为0.3，密度为1.50g/cm3。机身主要受气动载荷作用，受载类型为压强，大小为5MPa，格栅结构两端铰支。

2有限元结果分析

2.1不同半径孔缺陷损伤对格栅结构力学性能影响分析

图2.1含不同半径孔缺陷的格栅结构应力应变云图

结果表明，受到孔缺陷损伤后，整体结构具有几何对称性，应力和应变在结构上仍呈对称分布。结构中部承受的应力和变形最大，壁板节点连接处由于变形能量消耗机制，应力和应变较小，横向分布的格栅板应力应变大于斜向分布的格栅板。由于格栅结构具有良好的损伤容限，加强肋相对独立，可以将损伤限制在胞元内，不易向周围扩展，所以只有缺陷处出现应力增大现象。缺陷孔径与应力应变不呈线性变化。

2.2不同位置孔缺陷损伤格栅结构力学性能影响分析

图2.2含不同位置孔缺陷的格栅结构应力应变云图

结果表明，孔缺陷的位置变化，会导致格栅结构整体应力应变分布发生变化，最大位移和变形会向孔缺陷的位置靠近。其中中心位置受孔缺陷损伤对结构的力学性能影响较小，壁板和节点影响较大。中心位置受孔缺陷损伤后会使整体结构的应力略微变小，而应变增大；单个格栅板和处于节点处受孔缺陷损伤后，产生的应力应变都会增大，后者最大。

2.3不同深度孔缺陷损伤格栅结构力学性能影响分析

图2.3含不同深度孔缺陷的格栅结构背面蒙皮应力应变云图

结果表明，随着孔缺陷贯穿深度的增加，格栅结构的应变随之减小；当孔缺陷为未贯穿和全贯穿时，格栅结构应力增大，半贯穿时应力略有减小。深度越深，缺陷周边的应力分布改变范围越广。

3结论

格栅结构具有几何对称性，应力和变形在结构上呈现对称分布，不受孔缺陷影响。缺陷位置的变化会导致格栅结构产生的最大位移和变形向孔缺陷的位置靠近。相对于位置变化，缺陷孔径和深度的变化对格栅结构的力学性能影响较小，加强筋加强对结构的约束，减少外力作用下的变形，使应力和变形减小，但这种作用是有限度的，当超过这一限度，应力和变形就会逐渐增大。

参考文献

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