飞机结构耐久性和损伤容限设计

【摘 要】飞机结构设计质量的高低直接决定其耐久性与损伤容限特性的优劣.耐久性设计和损伤容限设计互相补充,共同保障飞机结构的安全性、可靠性和经济性,是保证飞机结构完整性的重要手段.本文对飞机结构设计思想的发展,损伤容限的设计原理和设计要素进行了归纳阐述.

【关 键 词】飞机结构设计；耐久性；损伤容限

1.飞机结构设计思想的发展

飞机设计思想的发展来源于飞机的使用实践和科学技术的不断进步.飞机设计思想的演变,对军用飞机,主要取决于飞行和战斗性能、生存能力以及经济成本等.对民用飞机特别重要的是安全性和经济性.二次大战后的几十年来航空运输市场迅猛发展,飞机的性能迅速提高,对飞机的安全性和经济性提出了越来越高的要求,同时,断裂力学等相关学科逐步发展成熟,促使飞机结构设计思想发生了深刻的变化.几十年来,飞机设计思想经历了从静强度设计、疲劳（安全寿命）设计、安全寿命/破损安全设计、安全寿命/损伤容限设计,到耐久性/损伤容限设计等多次的演变.

2.耐久性和损伤容限设计概论

结构耐久性是结构的一种基本品质,它代表飞机结构在规定的使用期内,结构抵抗疲劳开裂、腐蚀（包括应力腐蚀）和意外损伤引起开裂的能力.在规定的使用期内,不允许出现功能损伤（刚度降低、操纵效率下降、座舱减压、油箱漏油等）.耐久性设计目标是经济寿命,而不是安全寿命,也就是说具有耐久性设计的飞机在整个服役期内,能有效的使用、随时处于良好状态,不需附加的维护和操作费用.损伤容限设计承认飞机结构在使用前就带有初始缺陷,在使用过程中,在重复载荷作用下不断扩展,但必须把这些缺陷或损伤的增长控制在一定的范围内,在规定的检查期内,结构应满足规定的剩余强度要求,以保证飞机结构的安全性和可靠性.利用安全寿命给出飞机的使用寿命,或通过耐久性设计和试验保证飞机结构的经济修理极限和经济寿命满足设计使用寿命要求,用损伤容限设计来保证飞机结构的安全.目前飞机设计主要是采用这个设计思想.

3.损伤容限设计原理

3.1损伤容限工程

（1）损伤容限是在“安全寿命”和“破损―安全”之后发展起来的一项工程技术.它是以断裂力学为基础,以保证结构安全为目标,以损伤检查为手段.涉及结构设计、载荷、强度、材料、工艺、试验质量控制、使用维修和组织管理各环节的系统工程.在各环节中的重要改变对传统理论和方法是一个巨大的冲击和革新.

3.2飞机结构主要损伤源

（1）疲劳损伤（包括腐蚀疲劳）重复载荷在正常空气或环境介质联合作用下产生的疲劳成核、短裂纹及长裂纹扩展导致剩余强度降低和最终结构破坏.

（2）环境损伤（腐蚀损伤）环境可造成三个方面的问题,一般腐蚀（简称腐蚀）,应力腐蚀和腐蚀疲劳,腐蚀疲劳已纳入疲劳范畴.腐蚀是材料与腐蚀介质化学或电化学作用造成的,与力学系统无直接联系.其破坏过程是：腐蚀初期形成腐蚀坑,逐步扩展并聚合导致结构有效截面减小,最后因静强度或功能上不能满足要求而失效.应力腐蚀是在材料―静应力―腐蚀介质系统中产生.经历腐蚀成核并形成裂纹,裂纹在静载荷下随持续时间而扩展,最后导致裂纹非稳态扩展而结构失效.

（3）意外损伤外来物对飞机结构相关部位的袭击,击中部位产生直接或间接的损伤,使剩余强度降低,导致结构破坏,它是一种离散的随机事件.包括：外来物击伤,如雨水、冰雹、雷电、跑道碎石等；与机械设备撞伤,如登机门附近结构与地面设备碰撞,货舱门与卸货设备碰撞等；加工制造及维修中的刀伤,印伤,刻伤,划伤,维修中操作失当或错误引起的意外损伤等；其它以外情况,如泄漏等.

（4）离散源损伤也是一种意外损伤,属离散的随机事件,但其损伤尺寸大,涉及的范围广,而且有一定的范围和方向性,包括：鸟撞；非包容发动机、风扇叶片的损坏；非包容高能旋转机械的损坏.

4.损伤容限设计要素

组成结构损伤容限特性有三个主要的要素,是损伤容限分析的主要内容：

（1）临界裂纹尺寸或剩余强度包括两个方面的工作：在剩余强度载荷要求下结构能允许的最大损伤,即临界裂纹尺寸；在规定的损伤尺寸下结构能承受的剩余强度.此两项工作由剩余强度分析完成.

（2）裂纹扩展在该结构部位的载荷谱和环境谱作用下,裂纹长度从可检裂纹尺寸（初始裂纹尺寸）至临界裂纹尺寸之间的裂纹扩展期.该工作由裂纹扩展分析完成.影响裂纹扩展寿命的主要因素有：载荷谱、材料抗力结构型.其中材料裂纹扩展抗力主要由的疲劳速率参数来确定,它们是材料种类、材料厚度和环境的函数,结构型对裂纹影响由尖端应力强因子系数来确定.裂纹扩展模型则把上述三大因素联系起来,为分析提供基础.

（3）损伤检查利用规定的检测和维护手段,对损伤进行检测和评定,保证及时地发现、预防或修复由疲劳、环境或意外损伤引起的损伤,以维持飞机在设计服役目标期内的适航性,此即检查大纲的任务.损伤检查要解决检查部位、检查地点、检查方法及检查间隔等四个方面的问题,并将这些方面纳入结构维修大纲中统一考虑和实施.

上述的三个组成损伤容限特性的要素同等重要,三个要素可以单独或组合作用,使结构的安全性达到一个规定的水平.图1表示为达到同一安全和经济寿命期,三要素可能的匹配关系.

图a：最理想的设计,依靠很长的临界裂纹尺寸、明显可检或安全脱离的结构；

图b：良好的设计,主要依靠较长的临界裂纹尺寸或选择有良好的裂纹扩展抗力的材料来达到；

图c：依赖更多的检查,支付较昂贵的检查费用,达到安全和经济的要求.

图d：在不能实现或极少可能进行检查的地方,只能进行安全寿命设计.

5.结论

本文总结了耐久性和损伤容限设计的基本思想,基本原理和相关要素,对飞机结构设计具有一定的参考意义.