[发明专利]一种飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法和装置

说明书

本发明提供一种飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法和装置，通过建立含裂结构有限元模型并进行应力场计算，得到含裂结构应力场分布，通过确定应力场计算中心点位置，确定远端应力场计算所需有限元单元，计算远端应力场计算中心处平均应力，计算得到远端应力场计算中心主应力所在方位角，即可以预测出结构的疲劳裂纹扩展方向。本发明使用的理论依据正确，工程概念清晰，使用简单方便。提出的一种基于有限元的飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法，可以根据有限元应力场分布，对飞机结构设计阶段开裂扩展模式、或飞行过程中结构出现裂纹后疲劳裂纹扩展方向进行快速预测，从而解决了飞机结构疲劳裂纹扩展方向不易预测的难题。

技术领域

本发明涉及飞机设计领域，具体涉及一种飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法和装置。

背景技术

飞机在飞行过程中，不可避免会出现各种可能的疲劳裂纹。如果不对这些疲劳裂纹采取措施而是任其扩展，则可能会影响飞机的使用安全。

在结构设计阶段，如果能够提前预测结构可能出现的开裂模式，通过在结构件的裂纹扩展方向上提前设置止裂筋条等，采用适当的止裂措施，则可以有效延缓或阻止裂纹的扩展。在飞行阶段，结构一旦出现裂纹，如果能够快速预测裂纹扩展走向，则既可以快速预判裂纹进一步扩展可能导致的结构损伤情况，又可以为提前制定最佳止裂方案节约时间。

因此，建立飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明提供一种飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法和装置，可快速实现飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测。

本发明提供一种飞机结构疲劳裂纹扩展方向的预测方法，包括：

步骤一、建立飞机结构的静强度有限元模型；

步骤二、建立所述飞机结构的含裂纹的有限元模型；所述裂纹长度为L₀；

步骤三、对所述含裂纹的有限元模型进行应力场计算，得到含裂纹的有限元模型中的各个单元的应力；

步骤四、根据所述含裂纹的有限元模型中的裂纹轨迹曲线以及所述裂纹轨迹曲线的初始裂纹尖端，以所述初始裂纹尖端为起点，建立原裂纹裂尖处切线，所述原裂纹裂尖处切线的切线方向与所述裂纹轨迹曲线的裂纹趋向一致；

步骤五、确定远端应力场计算中心位置，所述远端应力场计算中心位置为以所述初始裂纹尖端为起点、沿所述原裂纹裂尖处切线的切线方向量取L长度确定的点；

步骤六、确定远端应力场计算所需的3个有限元单元，所述3个有限元单元为以所述应力场计算中心点位置所在有限元单元为中心计算单元，在经过所述应力场计算中心点位置、且与所述原裂纹裂尖处切线相垂直的方向上，选取与所述中心计算单元相邻的两个有限元单元，得到的3个有限元单元；

步骤七、确定远端平均应力σ_x、σ_y、τ_xy，其中，{σ_x1，σ_y1，τ_xy1}、{σ_x2，σ_y2，τ_xy2}和{σ_x3，σ_y3，τ_xy3}，分别为所述3个有限元单元的应力；

步骤八、根据θ＝arctg((-τ_xy)/(σ_max-σ_y))，计算远端应力场计算中心主应力所在方位角θ，根据θ，确定经过所述应力场计算中心点位置的方位线；其中，

步骤九、确定裂纹扩展方向，所述裂纹扩展方向所在的直线经过初始裂纹尖端，且与所述方位线相垂直，所述裂纹扩展方向与所述原裂纹裂尖处切线的切线方向的夹角小于90度。

可选的，所述建立飞机结构的静强度有限元模型，包括：