飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.1

1、3.4 損傷容限設(shè)計(jì)2022-3-151安全壽命設(shè)計(jì)的不足 對結(jié)構(gòu)的任何關(guān)鍵部位的技術(shù)要求一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力 水平偏低，重量偏高；質(zhì)量控制成本較大。 用分散系數(shù)保證結(jié)構(gòu)的安全使用，但小概率事件時(shí)有發(fā) 生。 對結(jié)構(gòu)缺陷漏檢情況下，難于保障結(jié)構(gòu)的安全。 對破損安全結(jié)構(gòu)無技術(shù)指導(dǎo)意義。 損傷容限概念結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用周期內(nèi)、抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導(dǎo)致破壞的能力。3.4 損傷容限設(shè)計(jì)2022-3-152 飛機(jī)在使用期間或制造初期允許出現(xiàn)裂紋（損傷）,甚至允許主要受力構(gòu)件發(fā)生裂紋（并無危及結(jié)構(gòu)安全）。利用斷裂力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)裂紋在一定限度內(nèi)（損傷容限設(shè)計(jì)）,保證結(jié)構(gòu)有足夠的剩余強(qiáng)

2、度、剛度（能繼續(xù)承載）, 利用定期的檢差維修保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用的安全可靠,而不致發(fā)生災(zāi)難事故。 損傷容限設(shè)計(jì)概念把握好含裂結(jié)構(gòu)的裂紋的基本特性把握好含裂結(jié)構(gòu)的裂紋的基本特性斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)3.4 損傷容限設(shè)計(jì)2022-3-1533.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 斷裂力學(xué)概念 以含裂體的特征參數(shù)(幾何、載荷)表征其內(nèi)力、形變規(guī)律，研究含裂體剩余強(qiáng)度規(guī)律及破壞準(zhǔn)則, 包括交變載荷作用下的裂紋演變規(guī)律及壽命估算分析等。 含裂體基本構(gòu)形 穿透型；表面橢圓裂紋型；深埋錢幣型。3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-154斷裂的分類與特征 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-155線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ) n 裂紋尖端附

3、近應(yīng)力場分布及其應(yīng)力特征參數(shù)（應(yīng)力強(qiáng)度因子） 無窮大板中心一橢圓 (a, b)孔邊的應(yīng)力集中 1tKrtbaK或，時(shí)，tKba10應(yīng)力集中增大 ba，0變成裂紋tK3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-156r2 a無窮大薄板穿透裂紋裂尖近區(qū)應(yīng)力分布解 23222232122232122sincossinsinsincossinsincosrKrKrKxyyx19571957年年 ( ( IRWIN )IRWIN ) aKfrKijij2（Nm -1.5，MPam），），注意這里的 是遠(yuǎn)場應(yīng)力。3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-157211rrRemarks: 裂尖有 奇異性, 裂尖應(yīng)力無

4、窮大(理論線彈性體解); K 表征了裂尖彈性應(yīng)力場強(qiáng)度(數(shù)學(xué)上的無窮大量級) ； 理論研究表明: 對一定規(guī)則幾何邊界,在剪切、撕裂載荷等方 式下,其K 值為: xyxzKa FKa FKa FWaWafFIsecFi - 幾何邊界修正系數(shù) 對于其它裂紋形狀,載荷作用位置及幾何邊界條件等,有: 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-158近裂區(qū)應(yīng)力分布形式不變，即 ijfr，21不變；K 值計(jì)算有不同形式。 K 顯得十分重要,更重要的在于它可作為材料斷裂判據(jù), 應(yīng)用方便 ，故作為彈性含裂體的重要應(yīng)力表征參數(shù), 稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子。 n 應(yīng)力強(qiáng)度因子的小屈服范圍條件修正l 小范圍屈服條件: 塑性區(qū)尺

5、寸遠(yuǎn)小于構(gòu)件和裂紋幾何尺寸的條件。 l 工程中的合金材料都有一定的延性，裂尖區(qū)域不可能出現(xiàn)應(yīng)力奇 異，K值不復(fù)存在，線彈性斷裂力學(xué)理論應(yīng)用受阻。 l 細(xì)致研究表明，在小范圍屈服條件下，通過某種原則對裂紋長度 進(jìn)行修正，使得在工程材料中應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)的理論成果 。3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-159l 應(yīng)力場等效修正原則: 修正后的彈性應(yīng)力場與實(shí)際應(yīng)力分布在離開裂尖的一個(gè)小范圍后彈性場的應(yīng)力分布基本一致。 Ryaeffa0 xyeffraa0結(jié) 論：2yyRr3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1510l 理想塑性區(qū)計(jì)算 （用Tresca判據(jù)計(jì)算塑性區(qū)形狀及大?。?2(231max

6、ss22212)(2xyyxyx將近裂區(qū)應(yīng)力分布代入上式計(jì)算)2sin2(2cos2)2sin2(2cos221rKrK)(0213平面應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)ssssrK2)2sin2(2cos22211平面應(yīng)力狀態(tài)的裂尖塑性區(qū)形狀 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1511取= 0 得理論值： 22syKR222)21 (syKR平面應(yīng)力： 平面應(yīng)變： l 實(shí)際材料不是理想彈塑性體,且Tresca判據(jù)亦有偏差，最終： 22222262425 . 0sssIyyKKKRr，平面應(yīng)力平面應(yīng)變222)(1)()(ssyeffcKKcaraaKl 應(yīng)力強(qiáng)度因子修正計(jì)算(彈塑性材料含裂體) 3.4.

7、1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1512n 斷裂（靜拉伸載荷下裂紋撕裂）的能量判據(jù)l 斷裂判據(jù)的作用 已知載荷作用下,一定裂紋長度的含裂結(jié)構(gòu)能否破壞(剩余強(qiáng)度) ； 一定裂紋形狀 、幾何尺寸下, 破壞所需的載荷大小(臨界載荷)； 一定載荷條件下, 結(jié)構(gòu)允許的裂紋長度是多少(損傷容限) ；l 工程上還關(guān)心如下問題： 含裂結(jié)構(gòu)在不發(fā)生斷裂情況下, 反復(fù)載荷下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律； 如何確定安全檢查周期（決定裂紋檢查間隔, 決定在怎樣維修)。 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1513(Griffith能量理論,適用于脆性材料或小范圍屈服條件的金屬)l 斷裂的能量概念 穿透裂紋的表面微元 daBdA 單

8、位表面能（新生單位裂紋表面所需的能量）：）：材料中原子鍵 破斷的單位面積，為與材料原子間結(jié)合力有關(guān)的一個(gè)材料常數(shù)。 系統(tǒng)勢能 ：WU U: 彈性體的變形能；W: 外力位能。 系統(tǒng)的能量釋放率 A（形成單位裂紋表面系統(tǒng)勢能的降低/釋放量） 新生裂紋面的能量守恒條件 對于一個(gè)含裂體的U U、W W 是外載 和裂紋面 A(B daA(B da) )的函數(shù) 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1514i) 外載作用于含裂體的微元功ddUdWdtddtdUdtdW功 率: dtdWdtdAAWdtdWAWW)( ，ii) 新生單位裂紋面的外載功率表達(dá)式: dtdUdtdAAUdtdUAUU)( ，dt

9、dAAdtdA)(AAUAW0dtd考慮靜加載條件： 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1515iii）系統(tǒng)的能量釋放率 22AGAAAWAUA再記解釋: : 新生單位裂紋表面，系統(tǒng)的能量釋放率為一常數(shù)(彈性體)； G 為裂紋幾何尺寸、形狀、位置、外載作用位置的一個(gè)力學(xué) 表達(dá)式(一定情況下有顯式表達(dá))； G （量綱為N / m） , 可理解為裂紋擴(kuò)展單位長度所需的力(又稱裂紋擴(kuò)展力/驅(qū)動力)； 2 2 又可稱謂裂紋擴(kuò)展阻力, 取名有 R， Gc 。3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1516l 斷裂（裂紋開裂）的能量判據(jù)由以上能量守恒條件, 當(dāng)擴(kuò)展力(驅(qū)動力)大于擴(kuò)展阻力時(shí), 能夠新生單

10、位裂紋面，即 )2(，RGGc（Griffith 能量條件）l 裂紋繼續(xù)開裂的能量判據(jù)穩(wěn)定擴(kuò)展:只有進(jìn)一步增加外載, 才能迫使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的情況;非穩(wěn)定擴(kuò)展: 一經(jīng)開裂，即使外載不增加, 裂紋也會迅速擴(kuò)展下去。 顯然由裂紋擴(kuò)展后的能量釋放率的降低與增加來決定, 這取決于G G的算式 ( (實(shí)際取決于載荷作用方式與含裂體構(gòu)形) ) cGGAG&0cGGAG&03.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1517l 裂紋擴(kuò)展的阻力曲線1非穩(wěn)擴(kuò)展非穩(wěn)擴(kuò)展2穩(wěn)定擴(kuò)展穩(wěn)定擴(kuò)展a0aR, Gcc2iEAG因工程材料有延性, Gc 不再單純是單位表面能的函數(shù)，需改寫為： pcURG2無窮大板中心穿

11、透裂紋板的系統(tǒng)能量釋放率： aEG2厚體厚體平面應(yīng)變平面應(yīng)變薄板薄板平面應(yīng)力平面應(yīng)力c為臨界載荷點(diǎn), 只要當(dāng) c裂紋一經(jīng)開裂,迅速發(fā)展。 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1518n 應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂判據(jù)（K判據(jù)）與平面應(yīng)變斷裂韌性 l 能量判據(jù)在工程材料中難于應(yīng)用材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，2 值分散性太大,與實(shí)際工程量有較大出入； U Up p為近裂區(qū)的場量，在應(yīng)用中難以測定與計(jì)算。 l 使用應(yīng)力強(qiáng)度因子作為判據(jù)的思考2221EGEGGEKEKaEGI彈性能釋放率與K K 的數(shù)值關(guān)系相近 平面應(yīng)力平面應(yīng)變K K的計(jì)算簡單又表征裂尖一點(diǎn)處的應(yīng)力場強(qiáng)；試驗(yàn)容易獲取；關(guān)鍵是場強(qiáng)達(dá)到一定時(shí),能否表現(xiàn)為材

12、料 的斷裂常數(shù) ？ 3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1519BKIC平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)實(shí)驗(yàn)表明: 僅當(dāng)在小范圍屈服條件 (厚板或較短裂紋)，K K為常數(shù) 。ICICFaK小范圍屈服條件： 2)( 5 . 2,sICKaWB即滿足上式條件下,可應(yīng)用K KI CI C判據(jù)；K KI CI C 稱為平面應(yīng)變斷裂韌性。 l K判據(jù)ICIKK ICIIICIIKKAKKKAK&0&0非穩(wěn)定擴(kuò)展穩(wěn)定擴(kuò)展3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1520n 工程應(yīng)用 檢查含裂體斷裂強(qiáng)度：K KI CI C 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)給定，計(jì)算K KI I ，由 K KI I = = K KIC IC

13、確定剩余強(qiáng)度： aFKICcaiacic 判斷含裂結(jié)構(gòu)的安全性 KI 10-3 m/c nIKcdNda)(inaxIKKKImImParis 公式公式 (proper II)KKRKcdNdaICnI)1 ()(Forman 公式公式 (proper III)naxmKRcdNdaIm)1 ( Walker公式公式 (proper I)3.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)2022-3-1526dNdal 影響 的各種因素 頻率 f dNda,材料有阻尼，頻率太高材料不能及時(shí)響應(yīng)； 溫度T dNda,裂尖原子獲得激活能形成空穴，速率加大； 腐蝕, , 金屬氧化、電子丟失（物質(zhì)傳輸）、氫脆。 dNdal 壽

14、命估算分析NaafRKfdaNRKfdNda0),(),(復(fù)雜性：復(fù)雜性： 高載遲滯效應(yīng)； da/dN 隨機(jī)性（外在的載荷、環(huán)境隨機(jī)，內(nèi)在速率隨機(jī)）。 公式應(yīng)用的準(zhǔn)確性及誤差等； a0air0ri3.4 損傷容限設(shè)計(jì)2022-3-15272022-3-15273.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)的若干方面 n 制定設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊 結(jié)構(gòu)分類、設(shè)計(jì)原則(從結(jié)構(gòu)的承載安全性要求、使用維護(hù)特 性角度，規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型，各種結(jié)構(gòu)類型應(yīng)當(dāng)有什么樣的設(shè) 計(jì)原則來保證損傷容限體系的貫徹)； 結(jié)構(gòu)材料的選擇（靜強(qiáng)度、斷裂韌性及裂紋擴(kuò)展綜合選材）； 結(jié)構(gòu)布局（傳力路線及止裂設(shè)計(jì)）, 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)(抗斷裂

15、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))； 裝配制造工藝控制(加工質(zhì)量, 裝配應(yīng)力控制等)。 3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15282022-3-1528n 結(jié)構(gòu)的損傷容限分析計(jì)算 危險(xiǎn)部位的選擇、分析及確定 ； 載荷和應(yīng)力譜的分析與制定； 初始損傷品質(zhì)評定(以焊接構(gòu)件舉例)； 裂紋擴(kuò)展計(jì)算與壽命估算； 剩余強(qiáng)度計(jì)算與損傷容限評估。 n 結(jié)構(gòu)的損傷容限驗(yàn)證性試驗(yàn)n 結(jié)構(gòu)的使用與維修 結(jié)構(gòu)損傷的無損檢測方法； 檢查能力評估與檢查間隔制定； 制定結(jié)構(gòu)的使用維修大綱。3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15292022-3-1529損傷容限設(shè)計(jì)的基本概念 n 設(shè)計(jì)概念：承認(rèn)初始缺陷, 控制缺陷增長, 用分析

16、及檢查的方法 來保證結(jié)構(gòu)使用的安全可靠。 n 設(shè)計(jì)目標(biāo): 通過損傷容限設(shè)計(jì)和裂紋擴(kuò)展及剩余強(qiáng)度分析, 保證 飛機(jī)結(jié)構(gòu)在未修使用期內(nèi), 其剩余結(jié)構(gòu)能夠承受使用 載荷,不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞或過分變形, 提供足夠安全 性所要求的檢查水平。 n 設(shè)計(jì)要素 : 臨界裂紋尺寸或剩余強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)最大的損傷容限能力） 裂紋擴(kuò)展（把握損傷過程的發(fā)展，提供檢修依據(jù)） 損傷檢查 （依據(jù)可檢度確定不同部位的檢修方法與手段）互相補(bǔ)充3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15302022-3-1530n 設(shè)計(jì)方法 : 結(jié)構(gòu)材料的精心選擇、使用和控制； 選擇結(jié)構(gòu)類型, 并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局(止裂、開敞性)設(shè)計(jì)； 合理地制造

17、和工藝過程的質(zhì)量控制計(jì)劃； 合理控制使用應(yīng)力水平； 制定精細(xì)的檢驗(yàn)程序(按結(jié)構(gòu)類型、可檢度確定檢查要求、間 隔同期、檢查手段等)。3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15312022-3-1531n 設(shè)計(jì)步驟 : 設(shè)計(jì)使用載荷譜(據(jù)疲勞損傷統(tǒng)計(jì)分析理論, 簡化成能在設(shè)計(jì) 和試驗(yàn)中使用的計(jì)算譜和實(shí)驗(yàn)譜。由此計(jì)算出構(gòu)件危險(xiǎn)部位的 應(yīng)力譜和應(yīng)力強(qiáng)度因子變程譜)； 選擇關(guān)鍵件(據(jù)設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)力分析、可檢水平等確定 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件的危險(xiǎn)部位,進(jìn)行裂紋擴(kuò)展剩余強(qiáng)度分析,有效地實(shí) 施斷裂控制)； 合理選材(兼顧靜強(qiáng)度、剛度、斷裂韌性、重量、加工性、成本 以及抗腐蝕性能等綜合選材)； 結(jié)構(gòu)分類（據(jù)結(jié)

18、構(gòu)的功能特征、安全性程度及裂紋可檢度要求 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類, 按類型設(shè)計(jì)成相應(yīng)的飛行安全結(jié)構(gòu)）；3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15322022-3-1532 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（除一般的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)外, 還應(yīng)盡可能地提高損傷 可檢性）； 確定初始缺陷 （對不同的關(guān)鍵部位、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型，按 規(guī)范要求確定初始缺陷尺寸或應(yīng)用當(dāng)量方法折算)； 損傷容限分析（對危險(xiǎn)部位的臨界尺寸、剩余強(qiáng)度、擴(kuò)展速率壽 命進(jìn)行分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、改進(jìn)設(shè)計(jì), 直到滿足要求）； 損傷容限試驗(yàn) （驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)達(dá)到損傷容限規(guī)范要求否(構(gòu)件/ 全尺寸)； 制定使用維護(hù)大綱（據(jù)分析和試驗(yàn)結(jié)果給出不同結(jié)構(gòu)部位的檢查 方法，檢修周

19、期和允許的最大初始損傷和臨界損傷。3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15332022-3-1533損傷容限設(shè)計(jì)中主要問題分析 n 合理地選擇結(jié)構(gòu)材料 材料強(qiáng)度與韌性的關(guān)系 要求綜合的材料斷裂性能：bICKdNdaLY12LC4、LC92 ，7 材料裂紋不同階段的擴(kuò)展速率特性 視不同的結(jié)構(gòu)部位和主要關(guān)心的裂紋擴(kuò)展階段來選取。 材料與載荷/環(huán)境譜的關(guān)系 不能僅考慮常幅載荷下的特性,還要考慮在譜載荷下行為好的 材料,即考慮遲滯效應(yīng), 應(yīng)力比等影響因素，材料裂紋擴(kuò)展對 環(huán)境以及溫度的敏感性。 3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15342022-3-1534n 損傷容限結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的

20、確定原則 v 飛行安全結(jié)構(gòu)必須確定為斷裂關(guān)鍵件，或稱損傷容限危險(xiǎn)構(gòu) 件；v 考慮破壞的后果和危險(xiǎn)程度。結(jié)構(gòu)或局部部位的損傷危及到使 用功能、飛行性能、飛機(jī)及人員安全或?qū)е轮饕到y(tǒng)失效時(shí), 應(yīng)選為危險(xiǎn)部位；v 結(jié)構(gòu)形式、受力情況和強(qiáng)度儲備條件差的(整體結(jié)構(gòu)、所有單傳 力結(jié)構(gòu)、應(yīng)力水平高、應(yīng)力集中嚴(yán)重部位、剛度不足、振動較 大的部位)；v 材料的理化、機(jī)械、工藝性能差的部位和構(gòu)件(如疲勞缺口敏感 性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件)；3.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 2022-3-15352022-3-1535n 損傷容限結(jié)構(gòu)的分類與設(shè)計(jì)類型 l 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分類由設(shè)計(jì)概念(危及飛行安全的程度)和可檢度決定。 設(shè)計(jì)概念主要取決于結(jié)構(gòu)的安全性及功能性要求。 可檢性取決于結(jié)構(gòu)部位的可達(dá)性、損傷性質(zhì)及檢查經(jīng)驗(yàn)等。v 構(gòu)件所處的環(huán)境條件惡劣者(高溫、高壓、腐蝕、振動等)；v 可檢度低、維修更換可能性小、不可檢結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮在內(nèi)；v 強(qiáng)度計(jì)算的薄弱環(huán)節(jié)；v 加工工藝質(zhì)量難以保證,成本高,生