飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性與損傷容限設(shè)計

王子龍 邢萌

摘? 要：今天，隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新，航空技術(shù)日新月異，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計更加多樣化。航空是軍民運(yùn)輸?shù)闹匾侄巍ｋS著航空技術(shù)的迅速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)設(shè)計從靜態(tài)力從驅(qū)動力轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔蚜?。目前，以耐用度和耐損傷性為基礎(chǔ)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計是基本設(shè)計方法。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，耐久性和耐受性必須相互協(xié)調(diào)、相輔相成，以促進(jìn)提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性。本文將分析結(jié)構(gòu)耐久性和飛機(jī)損傷容限設(shè)計的具體要素，并對設(shè)計要素進(jìn)行深入探討和思考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計;耐久性;損傷容限

前言

目前，通過持續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析和積累以往的數(shù)據(jù)，已經(jīng)制定了一種新的結(jié)構(gòu)性的飛機(jī)承受能力和可持續(xù)性概念，國際航空公司也根據(jù)具體數(shù)據(jù)分析制定了標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。損傷容差分析和全壽命分析的設(shè)計方法繼承了以前的設(shè)計方法。通過不斷的發(fā)展和實(shí)踐，我們現(xiàn)在有了一個全面的設(shè)計系統(tǒng)，具有技術(shù)傳播和發(fā)展的不可估量的前景。

一、耐久性和損傷容限設(shè)計概論

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性是飛機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性和可靠性的表現(xiàn)，以及飛機(jī)在飛行期間抵抗疲勞、裂紋、腐蝕和意外損傷的能力。一般而言，如果飛機(jī)在正常飛行期間性能和功能下降或受損，這意味著飛機(jī)的功能損傷包括結(jié)構(gòu)部件明顯缺乏剛性、可控制范圍縮小、裝卸率降低、油箱漏油等。飛機(jī)壽命的另一個重要意義是其經(jīng)濟(jì)壽命。經(jīng)濟(jì)壽命不同于安全壽命，即所有功能在飛機(jī)有效運(yùn)行期間保持良好狀態(tài)，沒有故障或性能下降。飛機(jī)的制造不一定是完美的，但太多的缺陷可能會影響飛機(jī)的性能和運(yùn)行。適當(dāng)?shù)膿p傷容限可以幫助飛機(jī)減少因內(nèi)部故障對性能造成的損傷，但在載荷力的持續(xù)作用下，故障和損傷可能會逐漸擴(kuò)大和擴(kuò)大到超出損傷容限范圍，造成嚴(yán)重?fù)p傷，甚至影響飛機(jī)的使用因此，有必要定期檢查飛機(jī)，并在損傷容限范圍內(nèi)修復(fù)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)缺陷，以確保飛機(jī)的壽命不會受到損傷?？傊瑩p傷容限是保持飛機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的損傷安全限度，現(xiàn)已成為飛機(jī)設(shè)計建設(shè)的主要思路。

二、耐久性設(shè)計與損傷容限設(shè)計之間的關(guān)系

斷裂力學(xué)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性和耐損傷性設(shè)計的基本理論，設(shè)計以飛機(jī)設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)，工程以無損檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，質(zhì)量控制和過程監(jiān)控是基本實(shí)踐。但是，應(yīng)當(dāng)指出，在設(shè)計飛機(jī)結(jié)構(gòu)時，飛機(jī)必須完全符合強(qiáng)度和剛度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提高飛機(jī)的疲勞強(qiáng)度，延長經(jīng)濟(jì)壽命，降低維修費(fèi)用?？沙掷m(xù)設(shè)計是優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、延長其使用壽命和保持良好經(jīng)濟(jì)維護(hù)的重要手段。損傷容限設(shè)計是飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全可靠的重要保證。損傷容限也可以理解為飛機(jī)的安全限度。如果損傷和缺陷超出規(guī)定的公差范圍，將不可避免地對飛機(jī)造成嚴(yán)重的功能損傷。飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計分為兩部分。一個是損傷容忍的一個關(guān)鍵因素，即在飛機(jī)運(yùn)行中可以發(fā)揮安全作用的某些因素。整個飛機(jī)結(jié)構(gòu)包括大約200個安全部件。另一類是影響飛機(jī)經(jīng)濟(jì)壽命的可持續(xù)性要素。元素的數(shù)量取決于具體的經(jīng)濟(jì)生活標(biāo)準(zhǔn)，其中大多數(shù)達(dá)到數(shù)千個或更多。

三、耐久性設(shè)計

可持續(xù)設(shè)計以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，疲勞壽命的確定得到改進(jìn)，以提高設(shè)計的可靠性。在可持續(xù)性設(shè)計中，車身結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壽命旨在超過使用壽命，目的是最大限度地減少車身結(jié)構(gòu)或材料的退化影響，并避免因過度維修而造成的胎面減壓和運(yùn)轉(zhuǎn)靈敏度等問題。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗(yàn)證是通過飛機(jī)載荷和環(huán)境影響下的耐久性測試來實(shí)現(xiàn)的，從而滿足了結(jié)構(gòu)壽命和可靠性方面的設(shè)計要求。

可持續(xù)設(shè)計的細(xì)節(jié)包括：選擇耐用材料、控制應(yīng)力等級、優(yōu)化結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計、選擇疲勞強(qiáng)度技術(shù)、選擇保存措施以及選擇耐熱措施。此外，還必須確保質(zhì)量控制管理?？沙掷m(xù)設(shè)計必須取代安全壽命設(shè)計，補(bǔ)充損傷容限設(shè)計，能夠可靠地確定飛機(jī)的使用壽命，并確保飛機(jī)在使用壽命結(jié)束前的高度安全。

四、損傷容限設(shè)計

1.飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要損傷源

（1）在普通空氣或環(huán)境的共同作用下，疲勞損傷、疲勞芯、短裂紋和由重復(fù)載荷引起的長裂紋可能導(dǎo)致殘馀強(qiáng)度降低，最終造成結(jié)構(gòu)損傷。（2）環(huán)境損傷環(huán)境可引起三個問題：一般腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞，均屬于疲勞類別。它是由腐蝕性物質(zhì)和腐蝕性環(huán)境之間的化學(xué)或電化學(xué)作用引起的，與機(jī)械系統(tǒng)沒有直接聯(lián)系。銷毀過程包括在腐蝕開始時形成腐蝕坑，逐步擴(kuò)大聚合，以減少結(jié)構(gòu)的有效部分。最后，靜態(tài)強(qiáng)度或函數(shù)不符合要求，導(dǎo)致失敗。應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生于材料支撐系統(tǒng)-靜態(tài)約束-腐蝕。受芯腐蝕并形成裂紋后，裂紋在靜載荷作用下隨著時間的推移而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)失效。（3）意外損傷：攻擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)相對部分的外部物體直接或間接損傷受影響部分，降低殘馀物強(qiáng)度，造成結(jié)構(gòu)損傷。在制造和維修過程中因刀傷、刀痕、凹痕和擦傷、操作或維修錯誤等造成的意外損傷。

2.損傷容限設(shè)計要素

（1）臨界裂紋尺寸或殘馀力包括兩個方面：殘馀力載荷下結(jié)構(gòu)允許的最大損傷，即臨界裂紋尺寸;結(jié)構(gòu)在指定損傷尺寸下可承受的殘馀強(qiáng)度。這兩項(xiàng)任務(wù)都是通過對殘馀物強(qiáng)度的分析完成的。（2）裂紋在結(jié)構(gòu)部分載荷譜和環(huán)境譜的影響下擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展期從可檢測裂紋尺寸（初始裂紋尺寸）到臨界裂紋尺寸不等。這項(xiàng)工作是通過深入的裂縫分析進(jìn)行的。影響裂紋擴(kuò)展壽命的主要因素是：載荷譜和材料強(qiáng)度結(jié)構(gòu)類型。其中，材料的疲勞延伸強(qiáng)度主要由疲勞速度參數(shù)決定，該參數(shù)取決于材料類型、材料厚度和環(huán)境，而結(jié)構(gòu)類型對裂紋的影響則由尖端應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)決定。（3）損傷檢查可利用規(guī)定的檢測和維修手段進(jìn)行損傷檢測和評估，以確保迅速檢測、預(yù)防或修復(fù)由疲勞、環(huán)境或意外損傷造成的損傷，并在規(guī)定的服務(wù)期內(nèi)保持飛機(jī)的適航性。

結(jié)束語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，相信航空航天技術(shù)的發(fā)展將逐步完善，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法將更加適合人類使用。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐受性和耐久性的分析和設(shè)計方法大大提高了飛機(jī)的安全性和可靠性，并廣泛用于航空領(lǐng)域，為航運(yùn)業(yè)作出了顯著貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李珊山，邢靈格，丁惠梁，段世慧.飛機(jī)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計優(yōu)化中的損傷容限優(yōu)化方法研究[J].航空工程進(jìn)展，2011，01：78-83.