飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限及其耐久性分析

【摘要】隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論與思想也不斷更新，從靜強(qiáng)度、動強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及斷裂強(qiáng)度的進(jìn)化，而損傷容限/耐久性分析也已成為目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要規(guī)范。本文將從飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展歷史說起，詳細(xì)介紹飛機(jī)損傷容限與耐久性分析的設(shè)計思想、理論和基本方法，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想；耐久性分析；損傷容限

1、前言

隨著航空技術(shù)的快速進(jìn)步，基礎(chǔ)力學(xué)包括結(jié)構(gòu)力學(xué)，斷裂力學(xué)等基礎(chǔ)理論的發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法也日新月異。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限及耐久性分析在理論的基礎(chǔ)上，以及長期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和服役工作歷史的數(shù)據(jù)積累上，國際航空屆以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計規(guī)范的形式確立下來的一種飛機(jī)設(shè)計方法?；趽p傷容限和耐久性分析的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法延續(xù)以往的設(shè)計方法的優(yōu)點(diǎn)，并相應(yīng)的補(bǔ)充發(fā)展，經(jīng)過不斷的實(shí)踐發(fā)展，目前已具備實(shí)用性和形成了相對完整的設(shè)計系統(tǒng)。目前各國的適航認(rèn)證規(guī)定最新設(shè)計的民用飛機(jī)必須按照損傷容限設(shè)計，這充分說明了損傷容限及耐久性分析設(shè)計方法的重要性，因此其在國內(nèi)的推廣與應(yīng)用是必然。

2、飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的進(jìn)程

從飛機(jī)誕生以來，飛機(jī)的飛行實(shí)踐應(yīng)用推動者飛機(jī)設(shè)計思想的不斷進(jìn)化。飛機(jī)分為軍用機(jī)和民用機(jī)，民用飛機(jī)注重安全與成本，軍用機(jī)則更加注重飛機(jī)的戰(zhàn)斗能力和存活性能等方面。

因此飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想隨著對飛機(jī)要求的不斷變化而更新，目前正向著高機(jī)動、高穩(wěn)定性、低成本、長使用壽命的全面設(shè)計方法方向進(jìn)步。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)最初是采用目前熟知的靜強(qiáng)度分析，即對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗拉、壓、扭轉(zhuǎn)等各種強(qiáng)度與載荷進(jìn)行設(shè)計計算，引入一定的安全余量系數(shù)，使其滿足各種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計的規(guī)范。這是最早期的設(shè)計方法，靜強(qiáng)度設(shè)計的要求主要考慮的飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但相對來說過于簡單不夠全面。

隨著第一次世界大戰(zhàn)的進(jìn)行，在飛機(jī)使用的過程中發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷要有強(qiáng)度上的要求，而且在剛度方面也要滿足，這對于飛機(jī)的振動有很大的影響。并確保飛機(jī)的振顫速度滿足設(shè)計的規(guī)范。當(dāng)引入對于飛機(jī)的氣動彈性要求后，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須進(jìn)行目前熟知的飛機(jī)模型風(fēng)動實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的振顫校核。

在20世紀(jì)60年代末，對于飛機(jī)的壽命也提出了一定的要求，因此對于飛機(jī)的疲勞安全壽命的設(shè)計方法應(yīng)運(yùn)而生。把飛機(jī)在使用周期內(nèi)的安全問題作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)，即保證飛機(jī)在使用過程中，不會產(chǎn)生疲勞裂紋。但是由于當(dāng)時材料，制造和裝備上的問題，飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞的情況無法得到有效改善。

基于上述原因，美國修改了相應(yīng)的軍用機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在疲勞安全壽命的前提上，添加了損傷容限設(shè)計和實(shí)驗(yàn)的新標(biāo)準(zhǔn)。通過新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)控制飛機(jī)的安全使用周期和裂紋擴(kuò)展壽命等，通過損傷容限實(shí)驗(yàn)和模型疲勞實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行驗(yàn)證，目前仍廣泛采用此方法。

但這一方法仍然無法有效保證飛機(jī)的可靠性與安全。美國空軍提出損傷容限/耐久性設(shè)計方法，將此設(shè)計方法納入了新的飛機(jī)設(shè)計規(guī)范，并廣泛應(yīng)用于民機(jī)和軍機(jī)中。隨著新的對于飛機(jī)的安全和可靠性的要求，可靠性設(shè)計方法也逐漸進(jìn)入飛機(jī)設(shè)計師們的視野，但由于可靠性設(shè)計的復(fù)雜性，目前還未得到廣泛應(yīng)用。以上就是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的演化發(fā)展的過程。

3、損傷容限與耐久性分析結(jié)構(gòu)設(shè)計方法總體介紹

3.1 耐久性分析/損傷容限基本思想介紹

耐久性的基本概念是指在飛機(jī)使用壽命周期內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受疲勞斷裂、磨損、外界腐蝕及熱疲勞等外界損傷的性能。耐久性分析是建立在確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用前的各種不足，例如在飛機(jī)制造與運(yùn)輸?shù)瘸尚铜h(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的原始缺陷，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在外力載荷和各類環(huán)境參數(shù)的共同影響下，會漸變的行成初步微量的結(jié)構(gòu)裂紋和損害，隨著使用的過程，缺陷會繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)展并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞和影響飛機(jī)的正常使用，必須實(shí)時遏制裂紋發(fā)展并進(jìn)行維修。

在考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)在投入使用前的原始不足，以及使用過程中環(huán)境因素和外力載荷的破壞的前提下，通過在設(shè)計中考慮這些因素，將疲勞裂紋和損傷缺陷限制在可控的范圍內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，這就是損傷容限設(shè)計的基本思想。設(shè)計的基本準(zhǔn)則是要保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用周期內(nèi)必須滿足規(guī)范所要求的強(qiáng)度余量，并控制缺陷在能夠穩(wěn)定控制其擴(kuò)展的尺寸范圍內(nèi)。

3.2 壽命要求

飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用損傷容限和耐久性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命是采用綜合分析的方法。損傷容限主要是運(yùn)用監(jiān)控裂紋擴(kuò)展缺陷來制定維修周期，并保證結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范的使用要求及正常運(yùn)行。而耐久性分析則是以斷裂力學(xué)理論為依據(jù)制定飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修間隔來確定飛機(jī)總體使用壽命，使其高于設(shè)計使用聲明；因此，運(yùn)用該設(shè)計方法來確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命的指導(dǎo)思想的核心在于：運(yùn)用損傷容限確定飛機(jī)的正常運(yùn)行，耐久性設(shè)計確定飛機(jī)使用壽命。

3.3 理論基礎(chǔ)-斷裂力學(xué)介紹

飛機(jī)結(jié)構(gòu)在外在載荷和環(huán)境各類因素的影響下產(chǎn)生各類裂紋，此類缺陷導(dǎo)致飛機(jī)的使用周期下降，并影響了飛機(jī)的安全可靠性，但是由于該現(xiàn)象無法用傳統(tǒng)的理論科學(xué)去解釋，斷裂力學(xué)這門專門針對裂紋結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，而飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限/耐久性分析設(shè)計方法正是在這樣的基礎(chǔ)上發(fā)展并廣泛應(yīng)用的。

斷裂力學(xué)的基本理論框架包括研究裂紋尖端應(yīng)力場、裂紋的擴(kuò)展規(guī)律、裂紋開裂規(guī)律以及各類激勵下的裂紋響應(yīng)等，此理論從20世紀(jì)60年代興起，發(fā)展到今天依然吸引著眾多學(xué)者研究，保持著強(qiáng)盛的學(xué)科生命力。

3.4 飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本途徑

耐久性分析是在疲勞分析的基礎(chǔ)上發(fā)展并完善起來的。通過統(tǒng)計概率斷裂力學(xué)理論的積累，依靠數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合等方法科學(xué)的研究裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展規(guī)律，從總體上指導(dǎo)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和準(zhǔn)確性，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論有了一個質(zhì)的飛躍。

耐久性設(shè)計的基本方法是：1，滿足設(shè)計規(guī)范的基本要求；2，進(jìn)行耐久性具體設(shè)計，包括針對材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化（降低應(yīng)力集中和加工應(yīng)力）、工藝設(shè)計、應(yīng)對特殊環(huán)境防護(hù)、加工與裝配質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行耐久性考量；3，耐久性校核，在設(shè)計初期，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計算與分析，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)與依據(jù)。后期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到耐久性評估與校核報告。由于考慮實(shí)驗(yàn)成本，主要是針對飛機(jī)的關(guān)鍵部位和重點(diǎn)缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

損傷容限設(shè)計是對耐久性分析的一定補(bǔ)充，保證飛機(jī)在產(chǎn)生裂紋的同時滿足設(shè)計使用的安全強(qiáng)度。因此，建立損傷容限設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)與校核規(guī)范是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計不可缺少的一部分。

損傷容限設(shè)計針對不同的飛機(jī)結(jié)構(gòu)有不同的標(biāo)準(zhǔn)與檢修規(guī)范，因此首先是根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)的劃分，然后根據(jù)劃分類型來針對不同結(jié)構(gòu)制定不同的損傷容限設(shè)計規(guī)范。這些規(guī)范主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式的確定，材料選型上。另外針對評定的標(biāo)準(zhǔn)，則是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷容限校核，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，考察飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度余量是否滿足飛機(jī)可靠安全飛行的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]中國航空研究院.軍用飛機(jī)疲勞·損傷容限·耐久性設(shè)計手冊（第四冊）：耐久性設(shè)計[M].北京：中國航空研究院，1994.