飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂分析發(fā)展綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂分析發(fā)展綜述 領(lǐng)空權(quán)對(duì)于任何一個(gè)國(guó)家都是非常重要的,飛機(jī)的先進(jìn),是領(lǐng)空權(quán)的保證.飛機(jī)更是國(guó)家的國(guó)防的重要力量,提高飛機(jī)的性能更是每個(gè)軍事大國(guó)追求的目標(biāo).飛機(jī)的結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度與斷裂強(qiáng)度是飛機(jī)性能的重要體現(xiàn).通過(guò)這學(xué)期的學(xué)習(xí),和老師耐心的講解,我對(duì)我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與斷裂發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)有了更進(jìn)一步的了解.疲勞強(qiáng)度是指飛機(jī)結(jié)果在無(wú)限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，飛機(jī)結(jié)構(gòu)并不可能作無(wú)限多次交變載荷試驗(yàn)。斷裂是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)被斷錯(cuò)或發(fā)生裂開.討論的主要是脆性斷裂情況，其斷裂面是看得見摸得著的。還有兩類斷裂的斷裂面則是看

2、得見卻不一定摸得著的。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中，要不斷承受交變載荷的作用。但是，早期設(shè)計(jì)給及只是從靜強(qiáng)度上考慮，只要通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)證明飛機(jī)結(jié)構(gòu)能夠承受得住設(shè)計(jì)載荷（實(shí)際使用中所出現(xiàn)的最大載荷乘以安全系數(shù)），就認(rèn)為飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受交變載荷的作用，某些構(gòu)建常常出現(xiàn)疲勞性能也較好。因此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題并不突出，疲勞強(qiáng)度問(wèn)題沒(méi)有引起足夠的重視。直到50年代前期，世界各國(guó)的飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范中對(duì)疲勞強(qiáng)度都還沒(méi)有具體要求，不要求進(jìn)行全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)。但是，隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的性能不斷提高，適用壽命延長(zhǎng)，新結(jié)構(gòu)、新材料不斷出現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中疲勞破壞與安全可靠之間的矛盾逐漸顯

3、露出來(lái)了。斷裂是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)被斷錯(cuò)或發(fā)生裂開.討論的主要是脆性斷裂情況，其斷裂面是看得見摸得著的。還有兩類斷裂的斷裂面則是看得見卻不一定摸得著的。許多飛機(jī)結(jié)果，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過(guò)程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作后會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂。疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒(méi)有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對(duì)于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載

4、荷的零件要選擇疲勞強(qiáng)度較好的材料來(lái)制造。疲勞失效是金屬材料常見的失效形式,特別是軸類,連桿,軸承類等零件,長(zhǎng)期在應(yīng)力下工作的工件材料都要求較高的疲勞強(qiáng)度,這樣的可以提高零件的使用壽命。疲勞強(qiáng)度同時(shí)還與硬度、強(qiáng)度、韌性有較大關(guān)系，所以他是金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。 疲勞強(qiáng)度是材料能夠承受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)時(shí)的最大應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度關(guān)系到零件的壽命以及零件工作時(shí)能夠承受的最大應(yīng)力，這對(duì)零件的安全設(shè)計(jì)有重大意義。 例如:在齒輪設(shè)計(jì)中，當(dāng)接觸疲勞強(qiáng)度不滿足要求時(shí)，假定不再更換材料的前提下，可以用如下方法進(jìn)行彌補(bǔ)：1、增加齒輪的齒寬（增加輪齒的接觸面積）2、輪齒進(jìn)行高頻淬火（或中頻淬火）、滲碳、滲氮（提高輪齒

5、的表面硬度）3、磨齒（降低齒輪運(yùn)行中因?yàn)榻佑|強(qiáng)度不足而致使齒面發(fā)生膠合、斑蝕的危險(xiǎn)性能）50年代以前，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命問(wèn)題沒(méi)有引起足夠的重視。那事，飛機(jī)機(jī)構(gòu)是單純采用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。從50年代開始，基于以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)個(gè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及給及使用要求的不斷提高，在飛機(jī)安全和壽命 的設(shè)計(jì)思想上發(fā)生了很大的變化。50年代中期，逐漸發(fā)展起以安全壽命為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)和評(píng)估思想。這是給及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想上的一次重大變革。但是，安全壽命設(shè)計(jì)思想是以結(jié)構(gòu)件無(wú)初始損傷的假設(shè)為基礎(chǔ)的。顯然，這是理想化的情況。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)件可能存在這樣或那樣出事缺陷。因此，安全壽命設(shè)計(jì)思想并不能保證飛機(jī)安全

6、可靠。于是，在1960年提出了破損安全設(shè)計(jì)概念。從60年代初期到70年代初期，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用破損安全與安全壽命相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，這種設(shè)計(jì)思想可以在這個(gè)時(shí)期的國(guó)外民用機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中看到。這種破損安全與安全壽命相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，這帶有一定的局限性，遠(yuǎn)不足以解決安全和壽命問(wèn)題。隨著斷裂力學(xué)和其他科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)。1969年美國(guó)空軍開始規(guī)定催飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)。1978年美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）規(guī)定在民用機(jī)上采用損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)來(lái)代替原來(lái)的破損安全與安全壽命設(shè)計(jì)。損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)思想的核心是：承認(rèn)結(jié)構(gòu)件中存在初始缺陷的可能性，控制損傷的擴(kuò)展。從而，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)

7、在規(guī)定期內(nèi)具有規(guī)范要求的抗破壞能力和經(jīng)濟(jì)耐用的品質(zhì)。損傷容限設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)更是一次變革性質(zhì)的設(shè)計(jì)思想發(fā)展。航空工業(yè)作為技術(shù)密集、知識(shí)密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，集材料、機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力、電子、超密集加工、特種工藝等各種前沿技術(shù)之大成。目前，國(guó)際航空技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家早已實(shí)施損傷容限耐久性規(guī)范，并成為國(guó)際適航性條例要求。然而，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的三維損傷容限耐久性預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方面，由于研究隊(duì)伍嚴(yán)重萎縮，國(guó)際上的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展非常緩慢，三維損傷容限耐久性技術(shù)的發(fā)展停滯不前。與此同時(shí)，現(xiàn)代飛機(jī)大量使用三維整體結(jié)構(gòu)，已有技術(shù)與需求的矛盾更加突出。 這一現(xiàn)狀的存在，使得國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)者們?cè)谝延屑夹g(shù)基礎(chǔ)上不得不依靠更加實(shí)際、但耗資

8、巨大的全機(jī)試驗(yàn)和各級(jí)全尺寸部件試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限和耐久性，虛擬試驗(yàn)的科學(xué)基礎(chǔ)欠缺。近年隨著計(jì)算機(jī)容量逐漸滿足三維斷裂分析的需要，國(guó)際上三維試驗(yàn)和數(shù)值研究驟增，多尺度研究驟增，虛擬試驗(yàn)的概念形成并得以應(yīng)用。有影響和代表水平的工作主要出自美國(guó)NASA以Newman為主的研究組、英國(guó)Sheffield大學(xué)Code公司及其研究組、法國(guó)宇航院(ONERA)、瑞典航空研究實(shí)驗(yàn)室(FOI，德文首字)研究組，荷蘭國(guó)防動(dòng)力研究實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞國(guó)防科技組織(DSTO)等5-8。但是其損傷容限耐久性技術(shù)依據(jù)的理論基礎(chǔ)仍然是二維疲勞斷裂理論，未取得本質(zhì)上的突破，考慮三維約束的疲勞壽命分析模型也都是建立在大量

9、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)基礎(chǔ)上的。近年，我國(guó)某飛機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)以及相關(guān)單位已成功實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造，一些重點(diǎn)型號(hào)工程在設(shè)計(jì)階段就已全面實(shí)施損傷容限與耐久性規(guī)范，開展了大量全尺寸靜力、疲勞/耐久性和損傷容限試驗(yàn)，建立起寶貴的經(jīng)驗(yàn)和高素質(zhì)的隊(duì)伍以及組織管理體系。然而，基于試驗(yàn)來(lái)保證性能的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法存在明顯的局限：全尺寸試驗(yàn)之前主要是經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，如各種安全系數(shù)法，對(duì)經(jīng)驗(yàn)積累依賴嚴(yán)重，不利創(chuàng)新發(fā)展；試驗(yàn)或一定要設(shè)法滿足設(shè)計(jì)要求，否則發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后更改設(shè)計(jì)困難，代價(jià)很高；全尺寸試驗(yàn)只能檢驗(yàn)最薄弱環(huán)節(jié)，不能真實(shí)考核整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，尤其是優(yōu)化程度；全機(jī)試驗(yàn)只能檢驗(yàn)一種工況（如標(biāo)準(zhǔn)載荷譜、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和周期、抽取的單一的制造質(zhì)

10、量樣本等，代價(jià)高昂但實(shí)際效果遠(yuǎn)不是人們認(rèn)為的那么一錘定音式的決定一切。因此，發(fā)展基于三維損傷容限與耐久性科學(xué)基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)已變得十分必要和迫切。 破飛機(jī)結(jié)構(gòu)三維損傷容限和耐久性核心技術(shù)可望取得的突發(fā)展基于先進(jìn)的三維疲勞斷裂理論和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維損傷容限和耐久性關(guān)鍵技術(shù)，解決從材料性能到三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)性能的跨越。 飛機(jī)制造技術(shù)正沿著生產(chǎn)工藝依賴經(jīng)驗(yàn)型向工藝模擬、仿真、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能化制造方向發(fā)展；零件加工成形連接技術(shù)向增量成形、高速切削、高能束加工、精密成形等低應(yīng)力、小變形、長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)制造方向發(fā)展；從單個(gè)零件制造，向整體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)及近無(wú)余量制造技術(shù)發(fā)展；飛機(jī)制造技術(shù)從手工勞動(dòng)、半機(jī)械化、機(jī)械化向數(shù)控化、柔性化、自動(dòng)化技術(shù)方向發(fā)展；從一般鋁合金結(jié)構(gòu)的制造向以鈦合金為代表