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飞机蒙皮仿生耦合强化裂纹阻滞性能研究

王腾  
【摘要】:飞机蒙皮因受到剪力、弯矩和扭矩等多种形式载荷的共同作用,极易产生裂纹进而引发断裂失效。考虑自然界存在大量抗疲劳生物原型,本文从仿生学角度出发,结合断裂力学分析方法提出了一种基于植物树叶仿生结构的飞机蒙皮用铝合金裂纹阻滞方法,文章主要研究内容如下:根据植物叶脉的非线性拓扑结构特点,构造基于植物树叶的仿生裂纹阻滞强化结构。通过结合Canny边缘算子与霍夫变换,建立适用于树叶主脉与二级脉特征的参数提取方法。按照Cantor三分集规则,在CT试样裂纹前端构造具有不同树叶叶脉分形特征的仿生残余应力场。为了探讨植物树叶仿生强化方法对裂纹扩展阻滞的影响机理,以2024航空合金CT试样裂纹尖端应力强度因子为衡量指标,针对仿生残余应力场分布特点,采用应力外推法研究了裂纹从2mm扩展至12mm期间不同分形参数下的裂纹阻滞效果。结果表明,仿生残余应力场强化后裂纹前端应力强度因子得到有效下降,裂纹尖端塑性区尺寸存在不同程度扩大现象,两者变化趋势相对应,揭示了引起仿生耦合应力强度因子的下降机制。在分形角为45°时,裂纹阻滞效果最佳,剩余寿命提升了63.16%。表明了所提方法对裂纹扩展阻滞的有效性。最后以全尺寸飞机蒙皮为研究对象,利用有限元方法模拟其裂纹扩展过程,研究植物树叶仿生强化方法对存在初始缺陷的机翼蒙皮的局部加强效果。结果显示,仿生残余应力场强化后蒙皮裂纹前端应力强度因子下降趋势与CT试样仿真结果保持一致。进一步表明所提方法对全尺寸飞机蒙皮裂纹阻滞强化具有普适性。


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