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    用于飛機結(jié)構(gòu)選材的系列材料性能指標(biāo)及其應(yīng)用

    2016-11-20 02:04:53張騰何宇廷譚申剛王新波張勝
    航空學(xué)報 2016年10期
    關(guān)鍵詞:韌度性能指標(biāo)選材

    張騰, 何宇廷, 譚申剛, 王新波, 張勝

    1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 西安 710038 2. 94484部隊, 高密 2615003.中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院, 西安 710089

    用于飛機結(jié)構(gòu)選材的系列材料性能指標(biāo)及其應(yīng)用

    張騰1,2, 何宇廷1, *, 譚申剛3, 王新波3, 張勝1

    1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 西安 710038 2. 94484部隊, 高密 2615003.中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院, 西安 710089

    為提高飛機機體結(jié)構(gòu)選材的合理性,從材料性能指標(biāo)的角度出發(fā),在材料比強度、比剛度的常用基本指標(biāo)之外,結(jié)合飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想,提出了材料比疲勞強度、比靜韌度、比動韌度、疲勞強度比、靜韌強比、疲勞韌強比共6個材料性能指標(biāo)的概念與計算方法。建立了基于系列材料性能指標(biāo)的飛機結(jié)構(gòu)選材方法,考慮飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則及結(jié)構(gòu)在實際使用過程中的功能需求,通過條件篩選縮小備選材料范圍,依據(jù)系列材料性能指標(biāo)進行材料對比排序,并通過結(jié)構(gòu)驗證確定最終選材。以某型飛機機翼大梁的選材過程給出了應(yīng)用實例。

    飛機結(jié)構(gòu); 結(jié)構(gòu)選材; 比疲勞強度; 比靜韌度; 比動韌度; 疲勞強度比; 靜韌強比; 疲勞韌強比

    結(jié)構(gòu)選材是結(jié)構(gòu)設(shè)計時的基礎(chǔ)工作,其目的是在保證結(jié)構(gòu)功能需求的基礎(chǔ)上降低制造、使用成本[1]。結(jié)構(gòu)選材的合理性對保證結(jié)構(gòu)安全、提高運行性能、降低使用成本具有決定性意義。為此,國內(nèi)外針對結(jié)構(gòu)的選材方法開展了大量研究。

    文獻[2-6]從多準則決策問題的角度出發(fā),對結(jié)構(gòu)選材的加權(quán)因子法、數(shù)字邏輯法、線性分配法、優(yōu)先排序法等方法進行了研究,這些研究主要是針對決策方法的研究,是建立在不同材料已完成了多個性能指標(biāo)對比排序的基礎(chǔ)之上。對于每種材料來說,它們都具有與之對應(yīng)的很多材料性能指標(biāo),如何針對具體結(jié)構(gòu)的實際使用條件和使用需求,選取特定的材料性能指標(biāo)進行不同材料的對比是結(jié)構(gòu)選材的基礎(chǔ)工作[7]。在不同工業(yè)領(lǐng)域,如汽車工業(yè)[8]、石化工業(yè)[9-10]、壓力容器[11]、核工業(yè)[12]、薄膜工業(yè)[13]、發(fā)動機[14]等,很多研究者專門針對結(jié)構(gòu)的具體使用條件和使用需求,對用于不同材料對比的材料性能指標(biāo)進行了確定,并進行了結(jié)構(gòu)選材研究。

    在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域,由于飛機具有結(jié)構(gòu)破損后事故率高、運行成本高的特點,飛機機體結(jié)構(gòu)對材料的選取具有明確的基本要求:既要保證飛機結(jié)構(gòu)的服役安全,又要盡可能地減輕結(jié)構(gòu)重量,使飛行成本最低。因此,在飛機結(jié)構(gòu)選材時除了要考慮材料的基本性能指標(biāo)外,通常還要考慮材料的比強度和比剛度[15-16],其分別反映了單位質(zhì)量材料的抗拉斷能力和抗變形能力。

    然而,現(xiàn)階段飛機結(jié)構(gòu)選材時不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強度和剛度性能,通常還要考慮損傷容限和耐久性水平。為此,本文專門針對飛機結(jié)構(gòu)的選材,在材料比強度、比剛度的基礎(chǔ)上,提出了材料比疲勞強度、比靜韌度、比動韌度、疲勞強度比、靜韌強比、疲勞韌強比共6個材料性能指標(biāo),并建立了系列材料性能指標(biāo)在飛機結(jié)構(gòu)選材過程中的應(yīng)用方法,可為飛機結(jié)構(gòu)的選材過程提供支持。

    1 系列材料性能指標(biāo)的概念與計算方法

    現(xiàn)階段,中國飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的是包括了結(jié)構(gòu)強度、剛度、安全壽命、耐久性和損傷容限的結(jié)構(gòu)完整性綜合設(shè)計思想[17]。其中,結(jié)構(gòu)靜強度和剛度設(shè)計思想分別要求結(jié)構(gòu)的靜強度和變形滿足規(guī)定的要求;結(jié)構(gòu)安全壽命設(shè)計思想假設(shè)結(jié)構(gòu)無初始缺陷,要求結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足規(guī)定的要求;結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計思想要求結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟壽命滿足規(guī)定的要求;結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計思想要求存在初始缺陷的條件下結(jié)構(gòu)裂紋擴展壽命滿足規(guī)定的要求。

    飛機所有的承力結(jié)構(gòu)首先要滿足靜強度和剛度設(shè)計要求;同時,不同結(jié)構(gòu)根據(jù)其任務(wù)特點所采取的其他設(shè)計思想也會有所不同。例如,關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)為了保證安全一般要按照損傷容限思想進行設(shè)計;應(yīng)力敏感性高(損傷容限水平差)或不易檢查維修的結(jié)構(gòu)一般按照安全壽命思想進行設(shè)計,但需要在加工后進行嚴格的損傷檢查;從使用經(jīng)濟性的角度出發(fā),大部分承力結(jié)構(gòu)一般要滿足可以進行經(jīng)濟修理的耐久性要求等。

    上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想均有對應(yīng)的材料性能參數(shù)。結(jié)構(gòu)靜強度設(shè)計和剛度設(shè)計分別對應(yīng)了材料的抗拉強度σb和彈性模量E,其分別表征了材料抵抗靜拉伸載荷和抵抗變形的能力;結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計對應(yīng)了材料的斷裂韌性KIC和疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth,其表征了材料抵抗疲勞裂紋擴展的能力;結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計和安全壽命設(shè)計對應(yīng)了材料的疲勞極限S-1,其表征了材料抵抗疲勞開裂的能力。

    然而,現(xiàn)階段在飛機結(jié)構(gòu)選材工作中能夠反映單位質(zhì)量下材料力學(xué)性能水平的材料性能指標(biāo)只有比強度和比剛度:比強度γσ/ρ又可以稱為比靜強度,是材料的抗拉強度σb與材料密度ρ的比值;比剛度γe/ρ又稱為比模量,是材料的彈性模量E與材料密度ρ的比值。這兩個指標(biāo)分別反映了單位質(zhì)量材料的抗拉斷能力和抗變形能力,僅對應(yīng)于靜強度設(shè)計和剛度設(shè)計。

    對按照安全壽命、損傷容限或耐久性思想設(shè)計的飛機結(jié)構(gòu)的選材,同樣需要類似的材料性能指標(biāo)來進行不同材料的對比評估。為此,提出材料比疲勞強度γs/ρ、比靜韌度γk/ρ和比動韌度γkth/ρ的概念和計算方法。

    由于疲勞極限S-1反映了材料疲勞性能的水平,材料比疲勞強度γs/ρ即為疲勞極限S-1與密度ρ的比值,材料的比疲勞強度越大表明結(jié)構(gòu)在達到相應(yīng)的疲勞強度時所用的材料質(zhì)量越輕。

    損傷容限設(shè)計思想主要解決結(jié)構(gòu)的破損安全問題,其一是希望結(jié)構(gòu)在破損后有足夠長的裂紋擴展壽命且臨界裂紋更長,以保證在結(jié)構(gòu)大修時足以發(fā)現(xiàn)裂紋;其二是希望結(jié)構(gòu)破損后裂紋盡可能不擴展。前者主要與斷裂韌性KIC有關(guān),在斷裂力學(xué)中定義為靜斷裂強度;而后者主要與裂紋擴展門檻值ΔKth有關(guān),定義為動斷裂強度。

    比靜強度、比剛度、比疲勞強度、比靜韌度和比動韌度反映了材料在單位質(zhì)量下的某一項力學(xué)性能水平的高低。但對飛機結(jié)構(gòu)來說,其往往是按照多種結(jié)構(gòu)設(shè)計思想綜合考慮,為了反映出某種材料力學(xué)特性的偏重水平,在此提出了材料疲勞強度比γs/σ、靜韌強比γk/σ和疲勞韌強比γk/s的概念與計算方法。

    疲勞強度比γs/σ是材料的疲勞極限S-1與抗拉強度σb的比值,反映了材料疲勞強度與靜強度的比例關(guān)系,疲勞強度比越大,說明由材料制成的結(jié)構(gòu)在達到相應(yīng)的靜強度要求時,結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂的能力越強,疲勞性能越好。

    靜韌強比γk/σ是材料的斷裂韌性KIC與抗拉強度σb的比值,反映了材料的斷裂韌性與靜強度的比例關(guān)系,靜韌強比越大,說明由材料制成的結(jié)構(gòu)在達到相應(yīng)的靜強度要求時,結(jié)構(gòu)開裂后抵抗疲勞裂紋破壞的能力越強。

    疲勞韌強比γk/s是材料的斷裂韌性KIC與疲勞極限S-1的比值,反映了材料的斷裂韌性與疲勞強度的比例關(guān)系,疲勞韌強比越大,說明由材料制成的結(jié)構(gòu)在達到相應(yīng)的疲勞強度要求時,結(jié)構(gòu)抵抗由疲勞裂紋引起的突然破壞的能力越強,結(jié)構(gòu)的破損安全性越好。

    對于上述3種反映材料力學(xué)特性偏重水平的性能指標(biāo),若材料的疲勞強度比和靜韌強比越大,說明由此材料制成的結(jié)構(gòu)強度余量越大,飛機在進行大機動飛行或遇到強突風(fēng)時結(jié)構(gòu)越安全。若不同材料的比疲勞強度水平相差不大,則疲勞韌強比越大的材料其裂紋擴展壽命在總壽命中所占比例越大,由其確定的飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命限制越長,更適合制造損傷容限結(jié)構(gòu);疲勞韌強比越小的材料其裂紋萌生壽命在總壽命中所占比例越大,由其確定的經(jīng)濟修理周期越長,更適合制造耐久性/安全結(jié)構(gòu)。

    綜上所述,用于飛機結(jié)構(gòu)選材的系列材料性能指標(biāo)的計算方法與單位如表1所示。

    表1 系列材料性能指標(biāo)的計算方法與單位Table 1 Calculation methods and units of series of material property indices

    2 系列材料性能指標(biāo)在飛機結(jié)構(gòu)選材中的應(yīng)用

    基于系列材料性能指標(biāo)的飛機結(jié)構(gòu)選材方法如圖1所示,具體流程如下。

    圖1 系列材料性能指標(biāo)在飛機結(jié)構(gòu)選材中的應(yīng)用Fig. 1 Application of series of material property indices in aircraft structural material selection

    1) 明確選材的結(jié)構(gòu)對象

    根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求,確定要進行材料選取的飛機結(jié)構(gòu)。

    2) 確定結(jié)構(gòu)功能與設(shè)計要求

    對結(jié)構(gòu)所處位置、結(jié)構(gòu)受力情況、結(jié)構(gòu)功能需求、結(jié)構(gòu)失效后對飛行安全的影響程度(結(jié)構(gòu)重要度)、結(jié)構(gòu)的維修成本等因素進行明確。

    3) 確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則

    根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要度、維修成本和材料特征等因素選取相應(yīng)的一種或多種設(shè)計準則。

    4) 確定備選材料范圍

    根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能需求和受力情況等因素確定備選材料范圍。例如,有透光度要求的座艙蓋結(jié)構(gòu),可以將備選材料劃定在有機玻璃和鋼化玻璃等透光性材料的范圍;有工作溫度要求的發(fā)動機葉片結(jié)構(gòu),可以將備選材料劃定在鋼、鈦合金、陶瓷材料等耐熱性材料的范圍;有電磁要求的雷達罩結(jié)構(gòu),可以將備選材料劃定在碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料等無電磁遮蔽性材料的范圍。若選取的結(jié)構(gòu)沒有特殊要求,則初步確定的備選材料范圍一般是現(xiàn)階段的主要承力材料,如鋼、鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等。

    在初步確定了備選材料范圍后,可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的一般性要求進一步縮小備選材料范圍。例如,可以根據(jù)材料的空間限制和承載水平確定材料比靜強度的范圍,將不符合的材料剔除;可以根據(jù)材料的防腐蝕性要求將抗腐蝕性能不達標(biāo)的材料剔除;可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計加工制造成本將成本過高的材料剔除等。

    5) 進行材料對比并排序

    在確定的備選材料范圍內(nèi),根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計準則,通過對不同材料的系列性能指標(biāo)的對比,可以對材料的適合程度進行排序。根據(jù)結(jié)構(gòu)的承力特性和設(shè)計準則,可以分為以下幾種情況。

    ① 對于不承力結(jié)構(gòu),在材料滿足結(jié)構(gòu)功能需求的前提下,僅需根據(jù)材料的密度進行對比排序,密度最小的材料最優(yōu)。

    ② 僅按靜強度準則設(shè)計的結(jié)構(gòu),其一般是只受靜載的結(jié)構(gòu)或在全壽命周期內(nèi)只受少次數(shù)小載荷的結(jié)構(gòu),且結(jié)構(gòu)的剛度一般能自動滿足設(shè)計要求,僅需根據(jù)備選材料的比靜強度進行對比排序,比靜強度最大的材料最優(yōu)。

    ③ 主要按照剛度準則設(shè)計的結(jié)構(gòu)主要是結(jié)構(gòu)變形過大引起的失效模式,在所選材料滿足靜強度要求的前提下,僅需根據(jù)備選材料的比剛度進行對比排序,比剛度最大的材料最優(yōu)。

    ④ 主要按照安全壽命準則設(shè)計的結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)達到安全壽命設(shè)計指標(biāo)時,如果所用材料能夠滿足結(jié)構(gòu)的靜強度和剛度要求,僅需根據(jù)備選材料的比疲勞強度進行對比排序,比疲勞強度最大的材料最優(yōu)。

    ⑤ 主要按照耐久性準則設(shè)計的結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)達到耐久性設(shè)計指標(biāo)時,如果所用材料能夠滿足靜強度和剛度要求,可以根據(jù)備選材料的比疲勞強度和疲勞韌強比綜合考慮進行對比排序,比疲勞強度越大且疲勞韌強比越小的材料力學(xué)性能最優(yōu);由于結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)抵抗開裂、腐蝕、熱疲勞、剝離、磨損和外來物損傷的能力,對于特殊部位的結(jié)構(gòu)選材,需要在材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,結(jié)合材料的抗腐蝕老化、熱疲勞、硬度等指標(biāo)進行綜合考慮。

    ⑥ 主要按照損傷容限準則設(shè)計的結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)達到損傷容限設(shè)計指標(biāo)時,如果材料能夠滿足結(jié)構(gòu)在含裂紋狀態(tài)下的靜強度和剛度要求,需根據(jù)備選材料的比靜韌度、比動韌度和疲勞韌強比綜合考慮進行對比排序,比靜韌度越大的材料其抗破損安全性更高,比動韌度越大的材料其裂紋相對擴展更慢;在比靜韌度值相差不大的情況下,疲勞韌強比越大的材料安全壽命越長,越小的材料經(jīng)濟修理間隔期越長,需根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體需求具體判斷。

    ⑦ 對于同時按照多種準則設(shè)計的結(jié)構(gòu),選擇材料應(yīng)本著材料性能與各設(shè)計指標(biāo)協(xié)調(diào)一致的原則,否則,可能會造成材料的某些指標(biāo)剛達到設(shè)計要求,而另一些指標(biāo)已大幅超出了設(shè)計所需,這樣不僅會造成材料某些性能指標(biāo)的浪費,而且會由于材料的“短板”指標(biāo)的限制使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大。因此,首先要根據(jù)各設(shè)計準則的偏重程度,即各設(shè)計準則對應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)之比,根據(jù)疲勞強度比、靜韌強比或疲勞韌強比進一步縮小備選材料的范圍。在縮小后的備選材料范圍內(nèi),根據(jù)最偏重(最優(yōu)先保證)的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則,以其對應(yīng)的材料性能參數(shù)為準進行材料排序,性能指標(biāo)越大的材料越優(yōu)。

    當(dāng)仍存在材料性能指標(biāo)沖突的情況(即有些指標(biāo)較好,而另一些指標(biāo)較差的情況),可以參考文獻[2-6]方法,從多準則決策的問題出發(fā)建立定量評判模型,優(yōu)選出最優(yōu)者或較優(yōu)者。

    6) 結(jié)構(gòu)驗證與材料終選

    根據(jù)材料排序,將性能指標(biāo)最靠前的材料作為初選材料,并驗證由此材料加工而成的結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計、制造與使用需求。考察內(nèi)容包括力學(xué)性能指標(biāo),如靜強度、剛度、疲勞壽命、耐久性、損傷容限水平等;經(jīng)濟性指標(biāo),如結(jié)構(gòu)材料成本、結(jié)構(gòu)加工成本、結(jié)構(gòu)維護成本、材料供貨量等;加工難易程度指標(biāo),如硬度、焊接要求、切削性能、熔煉工藝、熱處理工藝、表面工藝等;其他指標(biāo),如抗腐蝕性要求、體積要求、結(jié)構(gòu)功能性要求等。

    若經(jīng)過驗證的材料滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和使用要求,則此材料即為最終選材;否則,需要選擇材料序列中的下一材料繼續(xù)進行驗證,直至滿足結(jié)構(gòu)需求;若出現(xiàn)沒有合適的材料滿足結(jié)構(gòu)要求的情況,則需要考慮將結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造或使用要求放寬,或者更改結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    3 應(yīng)用實例

    以某小型民用飛機機翼大梁的選材過程為例對系列材料性能指標(biāo)的應(yīng)用方法進行說明。

    1) 明確選材的結(jié)構(gòu)對象

    選材的結(jié)構(gòu)對象為某小型民用飛機的機翼大梁,機翼大梁是飛機的主承力結(jié)構(gòu)之一,其發(fā)生斷裂失效或變形失效會直接影響飛機的飛行安全。

    2) 確定結(jié)構(gòu)功能與設(shè)計要求

    機翼大梁的作用一是承力作用,其承受機翼各部件傳來的氣動載荷以及機翼油箱的自重;二是傳力作用,將所受載荷傳遞給機身,在飛機起飛時給機身提供向上的升力(拉力),在飛機停放時給機身傳遞向下的壓力以及相應(yīng)的彎(扭)矩;三是保持機翼的氣動外形,使機翼的變形維持在一定的范圍內(nèi),以保證不發(fā)生氣動失效。

    此機翼大梁經(jīng)整體銑切制成,對材料的供應(yīng)尺寸有具體要求,要求原材料截面至少不小于200 mm×60 mm,長度不小于4 m。

    機翼大梁的工作溫度區(qū)間為-55 ~ 80 ℃。在飛機投入使用后,由飛機的制造商根據(jù)飛機的飛行小時數(shù)定期進行檢查修理。

    3) 確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則

    由于直接影響飛行安全,機翼大梁設(shè)計為破損安全結(jié)構(gòu),即采用損傷容限設(shè)計準則;從經(jīng)濟修理的角度出發(fā),由于拆解更換成本過高,機翼大梁同時采用耐久性設(shè)計準則;此外,機翼大梁的設(shè)計同時要滿足靜強度和剛度要求。

    4) 確定備選材料范圍

    作為飛機的主承力結(jié)構(gòu),從材料的力學(xué)性能方面考慮,備選材料分為4類,分別是鋼、鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料。

    從使用經(jīng)濟性與保證材料性能的角度出發(fā),根據(jù)設(shè)計草圖,通過受力分析與質(zhì)量評估,要求材料的比靜強度大于0.16 N·m·kg-1,比剛度大于23 N·m·kg-1,比疲勞強度大于0.05 N·m·kg-1,比靜韌度大于0.012 N·m3/2·kg-1,比動韌度大于0.000 7 N·m3/2·kg-1。

    由于滿足結(jié)構(gòu)靜強度要求的鋼材為高強度鋼,而高強度鋼對應(yīng)力集中敏感,破損安全性差,比靜韌度均小于0.012 N·m3/2·kg-1,不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計需求,將鋼材剔除;鈦合金與復(fù)合材料的性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求,但其材料成本過高,大大超過預(yù)算,將其剔除。因此,此飛機機翼大梁結(jié)構(gòu)的材料初選范圍是鋁合金。

    在所有的航空用鋁合金范圍內(nèi),由于鑄造鋁合金、變形鋁合金中的非熱處理型合金、以及變形鋁合金中熱處理型合金的6000系鋁-鎂-硅合金和8000系鋁合金的某些力學(xué)性能相對一般,不適合作為飛機的主承力結(jié)構(gòu),因此將其剔除。在第2輪篩選后,此飛機機翼大梁結(jié)構(gòu)的材料備選范圍進一步縮小至2000系鋁-銅硬鋁合金和7000系鋁-鋅-鎂-銅超硬鋁合金。

    在2000系鋁-銅硬鋁合金、7000系鋁-鋅-鎂-銅超硬鋁合金中,由于2A01、2A10、2B16等材料抗剪強度較大;2A02、2A16、2A70、2014、2618A等材料在高溫下力學(xué)性能較好;2A14等材料在低溫下力學(xué)性能較好;2A50、2B50等材料熱加工性能較好;2A11等材料焊接性能較好;7A33等材料耐腐蝕性能較好,這些材料的設(shè)計主要是為了滿足結(jié)構(gòu)的特殊需求的,而其綜合力學(xué)性能指標(biāo)相對一般,也不適合作為飛機的主承力結(jié)構(gòu),因此將其剔除。此外,又由于2014、2124、2524、7050等材料的供貨量不足或供貨尺寸不能滿足機翼大梁的加工要求,也將其剔除。

    在經(jīng)過3輪篩選后,最后確定的結(jié)構(gòu)選材范圍是:2A12、2024、7A04、7A09、7075和7475,其對應(yīng)尺寸下的供貨狀態(tài)分別是T4、T3510、T6、T73、T73510和T7351。

    5) 進行材料對比并排序

    幾種備選材料的性能指標(biāo)如表2所示。

    由于機翼大梁是根據(jù)損傷容限準則和耐久性準則設(shè)計的,并且需要滿足靜強度與剛度要求。因此,應(yīng)主要根據(jù)比靜韌度、比動韌度和比疲勞強度這3個指標(biāo)為依據(jù)進行材料的排序,并驗證是否滿足比靜強度和比剛度要求。

    可以看出,表2列出的幾種材料除2A12-T4鋁合金在比疲勞強度上不能滿足設(shè)計指標(biāo)要求外,其他材料均滿足設(shè)計要求。7475-T7351在比靜韌度、比動韌度、比疲勞強度、疲勞強度比、靜韌強比和疲勞韌強比這6個指標(biāo)上均為最優(yōu)。次之的7A04-T6、7A09-T73和7075-T73510這3種材料相比,7075-T73510的比疲勞強度值最高,而7A09-T73的比靜韌度和比動韌度值最高,由于機翼大梁關(guān)乎飛行安全,更偏重于損傷容限設(shè)計準則,因此,疲勞韌強比更高的7A09-T73排序第2;雖然7A04-T6的比動韌度值比7075-T73510更高,但高出不多,且7A04-T6在比疲勞強度值上比7075-T73510相差太遠,若制成飛機結(jié)構(gòu)其耐久性壽命會取得較短,影響使用經(jīng)濟性,因此,7075-T73510材料排序第3。剩余排序為7A04-T6和2024-T3510。

    表2 幾種備選材料的性能指標(biāo)值Table 2 Property index values of alternative materials

    6) 結(jié)構(gòu)驗證與材料終選

    7475鋁合金是鋁-鋅-鎂-銅系熱處理強化鋁合金,其抗腐蝕性能與7075鋁合金相當(dāng),且T7351狀態(tài)與其他狀態(tài)相比,耐剝蝕與應(yīng)力腐蝕的性能更高,其應(yīng)力腐蝕斷裂韌度為25.7 MPa·m1/2,在耐腐蝕性能上滿足設(shè)計要求。該材料具有良好的工藝塑性和超塑性,具有較好的成型性能,滿足加工工藝和結(jié)構(gòu)維修的要求。該材料在低溫下(-55 ℃)的各項材料性能指標(biāo)下降不大;且可以保證在最大工作溫度(80 ℃)下的長時間服役,滿足不同環(huán)境溫度下的結(jié)構(gòu)考核指標(biāo)。因此,可以選取7475-T7351作為此機翼大梁的選材。

    若從材料經(jīng)濟成本和供貨量的角度出發(fā),材料排序第2的7A09-T73鋁合金更具優(yōu)勢,且7A09-T73的各項材料性能均較大幅度的超過了設(shè)計要求;加之7A09-T73的比疲勞強度與7475-T7351相差不大,靜韌強比和疲勞韌強比的排序也很靠前,因此,如果要降低飛機的制造成本,也可以考慮選取7A09-T73作為此機翼大梁的選材。

    在確定最終選材前,仍需根據(jù)具體材料開展有限元分析和關(guān)鍵部位強度試驗,當(dāng)結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)通過驗證后即可作出材料的終選決定。

    4 結(jié) 論

    1) 在材料比強度、比剛度的基礎(chǔ)上,結(jié)合飛機機體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想,提出了材料比疲勞強度、比靜韌度、比動韌度、疲勞強度比、靜韌強比、疲勞韌強比共6個材料性能指標(biāo)的概念與計算方法,并闡述了各材料性能指標(biāo)的實際含義。

    2) 給出了一種具體的飛機結(jié)構(gòu)選材方法,即考慮飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則與結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、使用要求,通過條件篩選縮小備選材料范圍,依據(jù)系列材料性能指標(biāo)進行材料對比排序,并通過結(jié)構(gòu)驗證確定最終選材。

    3) 以某小型民用飛機機翼大梁的選材過程給出了系列材料性能指標(biāo)的應(yīng)用實例,對比分析結(jié)果表明,7475-T7351鋁合金或7A09-T73鋁合金材料是較為合適的結(jié)構(gòu)選材。

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    張騰男, 博士, 工程師。主要研究方向: 飛機結(jié)構(gòu)強度與使用壽命。

    E-mail: zt_gm@126.com

    何宇廷男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師。主要研究方向: 飛機結(jié)構(gòu)強度與使用壽命。

    Tel.: 029-84787082

    E-mail: heyut666@126.com

    URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1432.006.html

    Seriesofmaterialpropertyindicesandtheirapplicationtomaterialsselectionforaircraftstructure

    ZHANGTeng1, 2,HEYuting1,*,TANShen’gang3,WANGXinbo3,ZHANGSheng1

    1.AeronauticsandAstronauticsEngineeringCollege,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China2. 94484Troops,Gaomi261500,China3.TheFirstAircraftInstitute,AviationIndustryCorporationofChina,Xi’an710089,China

    Inordertoimprovetherationalityofmaterialsselectionforaircraftstructure,consideringfromtheviewpointofmaterialpropertyindices,conceptsandcalculationmethodsofspecificfatiguestrength,specificstatictoughness,specificdynamictoughness,fatiguestaticstrengthratio,toughnessstaticstrengthratioandtoughnessfatiguestrengthratioareputforwardapartfromthecommonparametersofthespecificstaticstrengthandthespecificstiffness.Amaterialsselectionmethodbasedontheseriesofmaterialpropertyindicesisestablished.Thismethodfirstlynarrowsthepossiblematerialsusableindesignbyconsideringthedesigncriteriaandactualin-servicerequirements,thenranksthecandidatesaccordingtotheseriesofmaterialpropertyindicesandchoosesthefinalmaterialthroughstructuralvalidation.Finally,amaterialselectionprocessforanaircraftwingsparisgivenasanexample.

    aircraftstructure;materialselectionforanstructure;specificfatiguestrength;specificstatictoughness;specificdynamictoughness;fatiguestaticstrengthratio;toughnessstaticstrengthratio;toughnessfatiguestrengthratio

    2015-10-12;Revised2015-10-23;Accepted2015-10-29;Publishedonline2015-11-021432

    s:NationalNaturalScienceFoundationofChina(51475470,51201182)

    .Tel.:029-84787082E-mailheyut666@126.com

    2015-10-12;退修日期2015-10-23;錄用日期2015-10-29;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

    時間:2015-11-021432

    www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1432.006.html

    國家自然科學(xué)基金 (51475470,51201182)

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    http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

    10.7527/S1000-6893.2015.0291

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