淺析飛機(jī)結(jié)構(gòu)的一些疲勞破壞問(wèn)題

李念宗

（山東 濟(jì)南 250109）

疲勞破壞是材料或結(jié)構(gòu)的局部損傷，在交變應(yīng)力下，損傷發(fā)展直至破壞的過(guò)程。疲勞破壞往往產(chǎn)生于局部，尤其是應(yīng)力應(yīng)變集中處，因此疲勞對(duì)缺陷非常敏感。影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素主要包括材料成分、微觀組織結(jié)構(gòu)和表面狀況等內(nèi)部因素以及環(huán)境溫度、介質(zhì)、載荷等外部因素。疲勞破壞較隱蔽，發(fā)生時(shí)通常沒(méi)有明顯的塑性變形，事前不易察覺(jué)，這使得疲勞破壞成為了機(jī)械構(gòu)件的“致命殺手”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零部件的破壞中約有超過(guò)50%是由疲勞引起的。

本文將圍繞飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞問(wèn)題，首先討論一些空難事故，分析這些空難事故中的飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞破壞現(xiàn)象；然后對(duì)這些易發(fā)生疲勞破壞的典型結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展和研究成果；最后將結(jié)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，討論針對(duì)疲勞破壞問(wèn)題的處理方法。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞現(xiàn)象

飛機(jī)在服役過(guò)程中，不斷重復(fù)著起飛-飛行-降落這一過(guò)程，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)將承受各種各樣反復(fù)作用的疲勞載荷。這些疲勞載荷主要包括：（1）飛機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行中承受的氣動(dòng)交變載荷。（2）飛機(jī)在不穩(wěn)定氣流中飛行時(shí)受到的突風(fēng)作用。（3）飛機(jī)停放滑行、起飛、降落過(guò)程中機(jī)翼承受的地-空-地循環(huán)載荷。（4）飛機(jī)著陸接地后，起落架的彈性引起飛機(jī)顛簸加到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷。（5）飛機(jī)在地面滑行時(shí)因跑道不平整引起顛簸或因轉(zhuǎn)彎等多種操作加到飛機(jī)上的重復(fù)載荷。（6）飛機(jī)在飛行周期中由于座艙增壓和卸壓而加給座艙周?chē)鷺?gòu)件的重復(fù)載荷。

在這些外部循環(huán)載荷作用下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力也將是周期性變化的“循環(huán)應(yīng)力”。在服役環(huán)境下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞破壞，造成災(zāi)難性事故。

2 飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的疲勞破壞研究

從眾多的空難事故來(lái)看，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生疲勞破壞的部位較多，如機(jī)翼、機(jī)身等，而復(fù)雜的服役環(huán)境，如腐蝕、高溫、低溫等，將可能加速疲勞破壞的發(fā)展。為了確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全，學(xué)者們對(duì)不同的典型結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的疲勞破壞問(wèn)題開(kāi)展了研究。

2.1 對(duì)起落架結(jié)構(gòu)的疲勞破壞研究

起落架是飛機(jī)安全飛行的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形勢(shì)復(fù)雜，在起飛和著落過(guò)程中會(huì)承受較大的沖擊載荷，其受力嚴(yán)重，且可能遭遇到偶然因素的影響大，因此起落架的故障率較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，起落架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的事故大約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞事故的40%。鑒于此，眾多的研究已經(jīng)逐漸開(kāi)展，從不同的方面對(duì)起落架的疲勞破壞問(wèn)題進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明，對(duì)于存在焊縫的結(jié)構(gòu)，焊縫部位的疲勞壽命受焊縫的表面粗糙度以及結(jié)構(gòu)形狀的影響較大；對(duì)于主起落架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，局部高應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)薄弱部位都是引發(fā)疲勞破壞的原因。此外，隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)方法地不斷發(fā)展，耐久性/損傷容限的設(shè)計(jì)方法開(kāi)始也應(yīng)用于飛機(jī)起落架的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2.2 對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的疲勞破壞研究

飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)主要包括梁、蒙皮以及加強(qiáng)筋等，其上廣泛存在R角、鉚釘孔等由于制造必須存在的使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)不連續(xù)的缺陷，這使得機(jī)身結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情況復(fù)雜，因此可能的疲勞破壞情況也非常復(fù)雜。

對(duì)某型飛機(jī)因機(jī)翼主梁斷裂造成飛機(jī)失事的疲勞破壞原因的分析發(fā)現(xiàn)，主梁第一螺栓孔邊的應(yīng)力集中以及孔壁表面加工粗糙都是造成多源疲勞損傷的主要因素。由于飛機(jī)機(jī)身主要采用鉚釘連接，除了孔邊應(yīng)力集中之外，搭接部位的擠壓、摩擦等會(huì)對(duì)疲勞破壞產(chǎn)生更加復(fù)雜的作用。研究表明，較大的壓鉚力可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，而安裝過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞有很大影響。由于飛機(jī)服役過(guò)程中通常會(huì)面臨腐蝕環(huán)境，腐蝕環(huán)境下的化學(xué)和電化學(xué)作用會(huì)降低材料性能。研究表明，高強(qiáng)鋁合金對(duì)環(huán)境非常敏感，大氣中的水蒸氣即可顯著降低某些鋁合金的疲勞壽命；不同介質(zhì)對(duì)鋁合金疲勞強(qiáng)度的影響由強(qiáng)到弱分別為鹽水、鹽霧、潮濕空氣。

2.3 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞破壞研究

發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”，為飛機(jī)的飛行提供動(dòng)力，其可靠性將直接影響飛機(jī)的使用安全。發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中，由于頻繁的啟動(dòng)-加速-停車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件將承受交變載荷作用，加之發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)將承受高溫環(huán)境，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞破壞問(wèn)題變得非常復(fù)雜。

渦輪盤(pán)是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件之一，主要作用在于安裝和固定葉片以傳遞功率。研究表面，服役環(huán)境下渦輪盤(pán)主要的失效模式包括低循環(huán)疲勞、振動(dòng)疲勞、接觸疲勞、蠕變疲勞等，其中低循環(huán)疲勞是主要失效模式；渦輪葉片也是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件之一，長(zhǎng)期在承受極端高溫環(huán)境以及振動(dòng)載荷、離心載荷等。葉片的疲勞破壞主要是共振疲勞破壞和顫振疲勞破壞。共振疲勞破壞發(fā)生在氣流引起的激振力的激振頻率與葉片共振頻率一致時(shí)，這類(lèi)破壞是低應(yīng)力疲勞破壞。顫振是結(jié)構(gòu)的一種自激振動(dòng)，當(dāng)葉片的阻振力不足以阻止或減弱葉片振動(dòng)時(shí)，葉片的振動(dòng)反而會(huì)加劇從而引起更大的激振氣動(dòng)力，這類(lèi)疲勞破壞屬于高應(yīng)力疲勞破壞。

3 疲勞破壞對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展的影響

保證安全是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求和永恒主題，飛機(jī)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展源于飛機(jī)的使用實(shí)踐和科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展。近幾十年來(lái)，隨著飛機(jī)性能的提高，對(duì)飛機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性也提出了更高的要求，加之?dāng)嗔蚜W(xué)等學(xué)科的發(fā)展和成熟，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也隨之發(fā)生了深刻的變化。發(fā)展歷程包括靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)、疲勞安全壽命設(shè)計(jì)、安全壽命/破損-安全設(shè)計(jì)、耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)幾個(gè)階段。

疲勞安全壽命設(shè)計(jì)是指承力結(jié)構(gòu)在規(guī)定的壽命期內(nèi)不進(jìn)行檢查和維修的條件下疲勞失效概率極小的設(shè)計(jì)，它以飛機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)裂紋壽命作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，若出現(xiàn)可檢裂紋，則認(rèn)為飛機(jī)的安全壽命結(jié)束。

耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是為了彌補(bǔ)安全壽命/破損-安全設(shè)計(jì)中的不足而發(fā)展起來(lái)的新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提是認(rèn)為飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用前就存在初始缺陷。耐久性是指在規(guī)定的壽命周期內(nèi)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)抵抗疲勞、腐蝕等損傷的能力；損傷容限是指在規(guī)定的檢修期內(nèi)，損傷的增長(zhǎng)控制在一定范圍內(nèi)而不會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)符合規(guī)定的剩余強(qiáng)度要求。它是目前國(guó)際航空界以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)范確立的一種飛機(jī)設(shè)計(jì)方法，適航認(rèn)證規(guī)定新設(shè)計(jì)的民用飛機(jī)必須按照損傷容限設(shè)計(jì)。