一种整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法与流程

1.本发明涉及飞行器结构损伤容限试验领域，特别是涉及一种整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法。


背景技术：

2.整体壁板由于具有疲劳性能好、制造简单、结构重量轻的优点，已经在多个中大型飞机结构中得到应用。但是，与传统的铆接壁板相比，整体壁板缺乏天然止裂原件——长桁与蒙皮连接的铆钉，使得损伤容限性能较差，针对这一缺点，国内外的学者及设计师们的研究重点就在于如何尽可能的提高其损伤容限性能从而满足飞行器损伤容限设计要求，达到安全的目的。
3.但目前的研究，一般着眼于细节的研究，瞄准的点较为局部，设计出的整体壁板需要通过大量分析和试验验证工作，其试验件结构参数多，试验设计困难，需要制作大批不同设计参数下的整体壁板结构进行试验验证和比较分析工作，既耗费了大量的试验经费，也需要耗费大量的试验时间，最终导致整体壁板结构设计与验证工作效率低下，成本较高，制约了大型整体壁板结构的设计周期和装机效果。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供一种整体壁板结构损伤断裂的全局控制方法，针对试验件结构参数多，需要制作大批不同设计参数下的整体壁板结构进行试验验证和比较分析工作的问题，提出了解决或者部分解决上述问题的技术方案。
5.本发明实施例提供一种整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法，所述试验方法包括如下步骤：
6.步骤s1：确定所述整体壁板结构的设计参数，所述设计参数包括：不同筋条间距、筋条面积组合而成的多组设计参数；
7.步骤s2：确定该设计参数下的整体壁板结构进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式，该设计参数下的整体壁板结构与所述加载过渡段共同构成试验件；
8.步骤s3：在所述试验件上引入第一组裂纹，并确定所述第一组裂纹的位置、类型以及尺寸；
9.步骤s4：在指定试验载荷谱下，对所述第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对所述第一组裂纹进行裂纹修复和补强；
10.步骤s5：对裂纹修复和补强后的试验件，引入第二组裂纹，确定所述第二组裂纹的位置、类型以及尺寸，并执行步骤：在指定试验载荷谱下，对所述第二组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对所述第二组裂纹进行裂纹修复和补强；
11.步骤s6：重复执行步骤s3～步骤s5，直至裂纹扩展试验次数达到预设次数时，根据记录得到的所有试验数据，计算所述试验件的每一组裂纹对应的裂纹扩展速率和应力强度
因子，进而得到所述多组设计参数中相对最优的一组设计参数。
12.可选的，确定所述整体壁板结构的设计参数，包括：
13.以多根筋条中目标筋条以及所述目标筋条对应的筋条面积、蒙皮厚度，作为一组设计参数，进行形成多组设计参数，所述目标筋条为筋条间距相同的筋条。
14.可选的，在所述试验件上引入第一组裂纹，并确定所述第一组裂纹的位置、类型以及尺寸，包括：
15.在所述试验件上任意两个相邻筋条间的蒙皮中央位置，引入所述第一组裂纹；
16.或者，在所述试验件上位于所有筋条中央位置的筋条上，引入所述第一组裂纹；
17.若所述第一组裂纹在所述蒙皮中央位置，则假设所述第一组裂纹为穿透裂纹，所述第一组裂纹长度满足预设长度；
18.若所述第一组裂纹在所有筋条中央位置的筋条上，则所述第一组裂纹需将该筋条全部切断。
19.可选的，在指定试验载荷谱下，对所述第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，包括：
20.在指定试验载荷谱下，对所述第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录所述第一组裂纹的裂纹扩展轨迹、裂纹扩展长度以及试验载荷循环数。
21.可选的，所述预设条件包括：
22.所述第一组裂纹的裂纹扩展轨迹达到邻近筋条处；或者
23.所述第一组裂纹的裂纹扩展长度达到筋条间距的预设倍数。
24.可选的，所述第一组裂纹的位置与所述第二组裂纹的位置不同；
25.所述第一组裂纹的类型和尺寸，与所述第二组裂纹的类型和尺寸，相同或者不同。
26.可选的，所述预设次数根据筋条数目确定，其计算表达式为：
27.预设次数＝(筋条数目
‑
1)/2。
28.可选的，所述预设倍数为三分之二倍。
29.可选的，若所述第一组裂纹在所述蒙皮中央位置，则假设所述第一组裂纹为穿透裂纹，所述第一组裂纹长度满足预设长度，包括：在所述蒙皮中央位置钻取预设直径的孔，采用线切割方式割出所述第一组裂纹，假设所述第一组裂纹为穿透裂纹，所述第一组裂纹长度满足不小于8毫米。10、根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，所述预设直径为3毫米。
30.本发明提供的整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法，针对整体壁板结构下的不同组设计参数，确定在第一组设计参数下的整体壁板结构进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式，而设计参数下的整体壁板结构与加载过渡段可以共同构成试验件。
31.进行试验时，在试验件上引入第一组裂纹，并确定第一组裂纹的位置、类型以及尺寸；在指定试验载荷谱下，对第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强；之后，对裂纹修复和补强后的试验件，引入第二组裂纹，以及确定第二组裂纹的位置、类型以及尺寸，并再次执行步骤：在指定试验载荷谱下，对第二组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第二组裂纹进行裂纹修复和补强；重复执行上述步骤，直至裂纹扩展试验次数达到预设次数时，根据记录得到的所有试验数据，计算得到试验件的每一组裂纹对应的裂纹
扩展速率和应力强度因子。
32.对比每一组裂纹对应的裂纹扩展速率和应力强度因子，得到多组设计参数中相对最优的一组设计参数。
33.采用本试验方法，改变以往的整体壁板试验件，所有筋条和蒙皮参数都一致，一件试验件只能验证一组优化参数，若需要验证多组优化参数，就需要设计多组参数的试验件的状态，该状态造成试验件周期和成本代价比较大。本发明提出的试验方法，在同一个试验件上采用不同组优化后的结构参数(即设计参数)，通过设计一件多组结构控制参数兼容的多功能整体壁板试验件，在同一试验载荷作用下，利用过渡段设计形式，实现了多组结构控制参数下的试验验证工作，实现了一个试验件验证多组参数的目的，因此，极大的降低了设计成本和验证周期，提升了低成本、高效率的结构损伤容限试验验证能力，具有较高的实用性。
附图说明
34.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
35.图1是本发明实施例一种整体壁板损伤容限优化的方法的流程图；
36.图2是本发明实施例中，整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法所使用的试验件的结构示意图；
37.图3是本发明实施例中，试验件中筋条面积的示意图；
38.图4是本发明实施例中，试验件中筋条间距的示意图；
39.图5是本发明实施例中，确定试验件进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式；
40.图6是本发明实施例中，在确定的试验件上引入多组裂纹的示意图。
具体实施方式
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
42.参照图1，示出了本发明实施例一种整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法的流程图，该试验方法包括：
43.步骤s1：确定整体壁板结构的设计参数，设计参数包括：不同筋条间距、筋条面积组合而成的多组设计参数。
44.本发明实施例中，整体壁板结构的设计参数有多个，其中，影响整体壁板结构损伤断裂的关键因素有三个，分别为：筋条面积、筋条间距以及蒙皮厚度。一般情况下，设计参数包括：不同筋条间距、筋条面积组合而成的多组设计参数。这三个参数的具体确定方法可以根据目前已有技术进行，本发明实施例不做具体限定。
45.确定整体壁板结构的设计参数的具体过程为：
46.以多根筋条中目标筋条以及目标筋条对应的筋条面积、蒙皮厚度，作为一组设计
参数，进行形成多组设计参数，所谓目标筋条为筋条间距相同的筋条。
47.参照图2，示出了本发明实施例中，整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法所使用的试验件的结构示意图。图2中，1表示蒙皮，2表示过渡段，3表示筋条。参照图3，示出了本发明实施例中，试验件中筋条面积的示意图，相同的标号代表相同的含义。参照图4，示出了本发明实施例中，试验件中筋条间距的示意图，相同的标号代表相同的含义。
48.假设筋条面积分别为：s1、s2和s3，其中s1＝80mm2，s2＝120mm2和s3＝160mm2；筋条间距分别为：w1和w2，其中w1＝160mm，w2＝180mm，蒙皮厚度t为2mm。三个筋条面积中选取s1＝80mm2，作为第一筋条面积；筋条间距以组合的方式，作为第一筋条间距，如图4所示，从左至右依次的筋条间距分别为：160mm、180mm、160mm、160mm、180mm、160mm。
49.以试验件上共有7根筋条为例：假设这7根筋条依次编号为：1
‑
7#，若1#
‑
2#的筋条间距与6#
‑
7#筋条间距相同，那么1#、2#、6#、7#筋条作为目标筋条，以1#
‑
2#的筋条间距、6#
‑
7#筋条间距，以及1#、2#、6#、7#筋条各自的筋条面积、蒙皮厚度作为第一组设计参数，对该第一组设计参数下的整体壁板结构进行裂纹扩展试验；
50.1#
‑
2#的筋条间距与2#
‑
3#的筋条间距不同，但2#
‑
3#的筋条间距与5#
‑
6#的筋条间距相同，那么2#、3#、5#、6#筋条作为目标筋条，以2#
‑
3#的筋条间距、5#
‑
6#筋条间距，以及2#、3#、5#、6#筋条各自的筋条面积、蒙皮厚度作为第二组设计参数，对该第二组设计参数下的整体壁板结构进行裂纹扩展试验。
51.以此类推，若3#
‑
4#的筋条间距与4#
‑
5#的筋条间距相同，但与前两组的都不相同，那么3#、4#、5#筋条作为目标筋条，以3#
‑
4#的筋条间距、4#
‑
5#筋条间距，以及3#、4#、5#筋条各自的筋条面积、蒙皮厚度作为第三组设计参数，对该第三组设计参数下的整体壁板结构进行裂纹扩展试验。
52.步骤s2：确定该设计参数下的整体壁板结构进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式，该设计参数下的整体壁板结构与加载过渡段共同构成试验件。
53.本发明实施例中，设计参数确定后，还需确定该设计参数下的整体壁板结构进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式，进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式可以根据实际情况进行调整。由设计参数下的整体壁板结构与加载过渡段共同构成试验件。
54.如图5所示，确定试验件进行试验时，其中一种传递载荷的加载过渡段的连接方式，相同的标号代表相同的含义。通过该过渡段的设计能够保证载荷传递到试验件上。
55.步骤s3：在试验件上引入第一组裂纹，并确定第一组裂纹的位置、类型以及尺寸。
56.本发明实施例中，构成试验件后，进行试验过程中，首先在试验件上引入第一组裂纹，并确定第一组裂纹的位置、类型以及尺寸。
57.一般情况下，整体壁板结构初始裂纹损伤位置可选取两种部位：一是各个筋条间蒙皮中央位置，二是中央筋条。因此，可以在试验件上任意两个相邻筋条间的蒙皮中央位置，引入第一组裂纹；或者，可以在试验件上位于所有筋条中央位置的筋条上，引入第一组裂纹。
58.若第一组裂纹在蒙皮中央位置，则假设第一组裂纹为穿透裂纹，第一组裂纹长度满足预设长度。一般可以在蒙皮中央位置钻取预设直径的孔，预设直径为3毫米，即，在蒙皮中央位置钻取3毫米的孔，采用线切割方式割出第一组裂纹，假设第一组裂纹为穿透裂纹，
第一组裂纹长度满足不小于8毫米。若第一组裂纹在所有筋条中央位置的筋条上，则第一组裂纹需将该筋条全部切断。
59.如图6所示，在确定的试验件上引入多组组裂纹的示意图，其中，601标识位置为左、右s3区在试验件的蒙皮上引入的裂纹，该裂纹即为在蒙皮中央位置引入的裂纹；602标识位置为左、右s2区在试验件的蒙皮上引入的裂纹，该裂纹也为在蒙皮中央位置引入的裂纹；603标识位置为中央s1区在试验件的蒙皮上引入的裂纹。
60.步骤s4：在指定试验载荷谱下，对第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强。
61.本发明实施例中，第一组裂纹的各项信息确定后，即可在指定试验载荷谱下，对第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强。具体的：
62.在指定试验载荷谱下，对第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录第一组裂纹的裂纹扩展轨迹、裂纹扩展长度以及试验载荷循环数。当第一组裂纹的裂纹扩展轨迹达到邻近筋条处；或者当第一组裂纹的裂纹扩展长度达到筋条间距的预设倍数时，停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强。一般情况下，预设倍数为三分之二倍，即，当第一组裂纹的裂纹扩展轨迹达到邻近筋条处；或者当第一组裂纹的裂纹扩展长度达到相邻两筋条间距的三分之二倍时，停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强。
63.步骤s5：对裂纹修复和补强后的试验件，引入第二组裂纹，确定第二组裂纹的位置、类型以及尺寸，并执行步骤：在指定试验载荷谱下，对第二组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第二组裂纹进行裂纹修复和补强。
64.本发明实施例中，当停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强后，可以引入第二组裂纹，并确定第二组裂纹的位置、类型以及尺寸。第二组裂纹的位置与第一组裂纹的位置必须不同；但第二组裂纹的类型和尺寸，可以与第一组裂纹的类型和尺寸相同，或者不同。
65.之后再次执行步骤：在指定试验载荷谱下，对第二组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第二组裂纹进行裂纹修复和补强。例如：参照图6，对于前述第一组设计参数，引入的第一组裂纹为601所示裂纹，对于前述第二组设计参数，引入的第二组裂纹为602所示裂纹，对于前述第三组设计参数，引入的第三组裂纹为603所示裂纹。即，针对不同组设计参数，每一次引入的裂纹可以根据实际需求进行确定。在1#
‑
2#的筋条之间的蒙皮中央位置，引入第一组裂纹601，在6#
‑
7#的筋条之间的蒙皮中央位置，引入第一组裂纹601，在指定试验载荷谱下，对第一组裂纹601进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第一组裂纹601进行裂纹修复和补强。之后，在2#、3#的筋条之间的蒙皮中央位置，引入第二组裂纹602，在5#、6#的筋条之间的蒙皮中央位置，引入第二组裂纹602，在指定试验载荷谱下，对第二组裂纹602进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第二组裂纹602进行裂纹修复和补强。依据同样方法，对第三组裂纹603进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第三组裂纹603进行裂纹修复和补强。
66.步骤s6：重复执行步骤s3～步骤s5，直至裂纹扩展试验次数达到预设次数时，根据记录得到的所有试验数据，计算试验件的每一组裂纹对应的裂纹扩展速率和应力强度因
子，进而得到所述多组设计参数中相对最优的一组设计参数。
67.本发明实施例中，引入不同组裂纹，重复执行步骤s3～步骤s5，直至裂纹扩展试验次数达到预设次数时，预设次数根据筋条数目确定，其计算表达式为：预设次数＝(筋条数目
‑
1)/2。
68.即，直至裂纹扩展试验次数达到(筋条数目
‑
1)/2时不再重复，此时试验记录有多组试验数据，假设一共引入了三组裂纹，那么试验记录的试验数据就有：第一组裂纹的裂纹扩展轨迹、裂纹扩展长度以及试验载荷循环数；第二组裂纹的裂纹扩展轨迹、裂纹扩展长度以及试验载荷循环数；第三组裂纹的裂纹扩展轨迹、裂纹扩展长度以及试验载荷循环数。
69.对于试验数据，需要根据记录得到的所有试验数据，计算得到试验件的每一组裂纹对应的裂纹扩展速率和应力强度因子。再进行对比，即可得到n组设计参数下，相对最优的一组设计参数，通过这种方法，不再需要制作大批不同设计参数下的整体壁板结构进行试验验证和比较分析工作。
70.综上所述，本发明实施例的整体壁板结构损伤断裂主动控制的试验方法，针对整体壁板结构下的不同组设计参数，确定在第一组设计参数下的整体壁板结构进行试验时，传递载荷的加载过渡段的连接方式，而设计参数下的整体壁板结构与加载过渡段可以共同构成试验件。
71.进行试验时，在试验件上引入第一组裂纹，并确定第一组裂纹的位置、类型以及尺寸；在指定试验载荷谱下，对第一组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第一组裂纹进行裂纹修复和补强；之后，对裂纹修复和补强后的试验件，引入第二组裂纹，以及确定第二组裂纹的位置、类型以及尺寸，并再次执行步骤：在指定试验载荷谱下，对第二组裂纹进行裂纹扩展试验，记录试验数据，当符合预设条件时，停止试验，并对第二组裂纹进行裂纹修复和补强；重复执行上述步骤，直至裂纹扩展试验次数达到预设次数时，根据记录得到的所有试验数据，计算得到试验件的每一组裂纹对应的裂纹扩展速率和应力强度因子。
72.对比每一组裂纹对应的裂纹扩展速率和应力强度因子，得到多组设计参数中相对最优的一组设计参数。
73.采用本试验方法，改变以往的整体壁板试验件，所有筋条和蒙皮参数都一致，一件试验件只能验证一组优化参数，若需要验证多组优化参数，就需要设计多组参数的试验件的状态，该状态造成试验件周期和成本代价比较大。本发明提出的试验方法，在同一个试验件上采用不同组优化后的结构参数(即设计参数)，通过设计一件多组结构控制参数兼容的多功能整体壁板试验件，在同一试验载荷作用下，利用过渡段设计形式，实现了多组结构控制参数下的试验验证工作，实现了一个试验件验证多组参数的目的，因此，极大的降低了设计成本和验证周期，提升了低成本、高效率的结构损伤容限试验验证能力，具有较高的实用性。
74.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
75.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。