飞机结构设计-33教材

《飞机结构设计-33教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞机结构设计-33教材（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、3.3 安全寿命设计 结构的疲劳破坏 飞机在整个服役周期内，要经历大量的交变载荷反复 作用，这将导致结构体内的缺陷发展，发生裂纹的汇集 与生长，最终导致结构的撕裂破坏。 是指结构构件发生宏观可见裂纹时的飞机使用期限 安全寿命 ： Date1 3.3 安全寿命设计 反复载荷的大小、次数以及结构对缺陷的敏感程 度等有关（物理微观本质更复杂）。 Date2 3.3 安全寿命设计 结构全寿命周期内要承受复杂的随机载荷（小于最大 破坏载荷）作用，结构构件在微观缺陷上生长发展（损伤 积累），导致结构构件的实际承载能力下降（安全隐患） ，可能发生猝不及防的灾难性事故（疲劳破坏）。设计上 必须予以评估并防止此

2、类破坏形式的发生。 据统计，二战后仅英美两国民用飞机就发生20余起疲劳失事； 近年来，仍时有发生。 （1988，Boeing737空中解体； 2002年Boeing747空中解体） Date3 3.3.1 疲劳破坏的特征与形成机理 一、疲劳破坏的基本问题与机理 发生源于结构的孔边细节处； 反复交变载荷 S, S b 过程的潜伏性(无明显破坏前兆, 无明显塑性变形)； 过程结束的突发性； 过程的阶段特征,孕育扩展破断； 局部特性(发生在结构细节处)； 分散性(什么时间发生并不确切)。 1. 疲劳破坏的基本特征 Date4 3.3.1 疲劳破坏的特征与形成机理 2. 疲劳裂纹形成机理 内因：微裂纹

3、形成于微观应力集中处(粗糙表面、表面划痕、 材料缺陷、内部夹杂、结构缺口） 主观条件：微塑性形变循环累积； 新生表面挤出、挤入导致微裂纹生 成。（几个 ） Date5 3.3.1 疲劳破坏的特征与形成机理 宏观裂纹扩展机理 裂尖滑移形变 新生裂纹面 钝化 锐化(形成a) 宏观稳定扩展 失速段扩展 Date6 3.3.1 疲劳破坏的特征与形成机理 疲劳断口形貌特征 形核区(疲劳源区，呈圆形、亮泽)； 扩展区(明显的疲劳条纹)； 瞬断区(粗糙,剪切唇)。 剩余强度变化特征 acr a0 a b 剩 剩余强度下降梯度 过大，结构不能继 续使用。 Date7 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 1.恒

4、幅疲劳载荷 恒幅疲劳载荷的最大值 恒幅疲劳载荷的最小值（谷值） 恒幅疲劳载荷的平均值 恒幅疲劳载荷的幅值 恒幅疲劳载荷的载荷比 五个描 述参数 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 Date8 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 仅2个参数独立,常用（Smax，R）,( Sa ,R ) Date9 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 2.S-N曲线和疲劳极限 疲劳破坏的曲线特征 104 -1 10 7 N 短寿命段 低周疲劳 中长寿命 高周疲劳 疲劳极限区 Sa 应力降低一个量级,寿命可上升几个量级！ 疲劳强度 Date10 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 疲劳曲线的基本规律 循环比R的影响

5、：Sa 不变， ; Smax 不变， 均值 Sm 的影响： 分散性:(内因：材料微观缺陷, 外因：载荷变程) 中长寿命一般分散性服从Log-Normal 分布 Date11 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 3.疲劳性能的若干影响因素 （1）疲劳载荷特征 1）Sm一定， Sa，N 2）Sa一定， R，Sm 3）Smax一定， R， Sa ，Sm ，N （2）分散性:(内因：材料微观缺陷, 外因：载荷变程) 中长寿命一般分散性服从Log-Normal 分布 Date12 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 S N曲线规律类同，但分散性更小 (应力集中); 以应力集中系数 Kt 表征结构参数;

6、N Sa Kt小 Kt大 （3）应力集中 Date13 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 有效应力集中系数Kf： Date14 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 （4）尺寸效应 1）尺寸不同应力梯度不同，大尺寸零件的高应力区 域大，产生疲劳裂纹的概率大 2）大尺寸零件包含了更多可能产生疲劳裂纹的不利 因素（材料不均匀性、内部缺陷、各向异性等） 3）加工硬化：硬化，疲劳极限；然而尺寸硬化 ，疲劳极限 4）表面加工：表面加工质量，疲劳强度 Date15 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 （5）其他影响因素 1）温度 3）冷作硬化和残余应力 4）过度的强迫装配。（干涉配合、钉孔挤压强化等） 5

7、）载荷的作用顺序 6）噪音环境 7）腐蚀环境 2）热处理方法与工艺 Date16 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 一、安全寿命估算方法 （1）设计使用载荷谱 载荷谱： 飞机在整个使用过程中结构承受载荷随时 间变化的历程 根据大量实测的疲劳载荷及其时间历程，再经过 统计分析和简化即得疲劳载荷谱，这个谱一般用 飞机的重心载荷系数与作用次数来表征 重心过载谱 Date17 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 重心过载谱：飞机飞行过程中重心处所经历的加速度 历程的统计数据。 飞机执行各典型任务剖面的峰谷值计数、过滤与归纳。 Date18 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 飞机飞行的典型任务剖面（

8、主要的载荷形式） 突风载荷:（气流扰动载荷(见过载计算)） 运输机客机；季节性+地区性；幅值大随机性强 机动载荷: （平飞（1g） 机动 改出） 歼击机、攻击机 ；过载幅值大 地面滑行载荷:（起飞前与着陆后的颠簸载荷） 幅值小+频率高+随机性强 ；运输机及客机更为突出 着陆撞击载荷: 飞机质量+下沉速度；起落架缓冲装置 其他载荷：坐舱气密增压载荷、噪声载荷、抖振，地空地循环 Date19 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 飞机典型载荷形式的主要特征 v 随机性(大小频次变化复杂,不是一次飞行都可遇到,需要多次 试飞飞行统计)； v飞机的类型不同,载荷考虑不同； v载荷形式不同, 对飞机内力及

9、寿命及部位的影响不同： v飞行中，以匀速平飞ny=1g为平均载荷； v地面上，以停机平衡重量载荷ny=1g为平均载荷； 统计原则: 疲劳极限以下的载荷截除（低载删除原则）； 极少出现的高载截除(极小事件概率值界定）。 Date20 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 载荷谱的编制形式与种类 重心过载谱:飞机重心处的过载系数表 构件载荷谱:构件两端受到的总载荷数据 构件细节应力谱 ：构件细节部位的应力变化历程 v 程序块谱 (低高低排列的载荷表)； v 随机谱(伪随机数生成载荷序列), 按飞- 续-飞顺序编排。 Date21 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 复杂载荷谱的损伤累积（安全寿命）估

10、算方法 疲劳损伤的工程定量描述: 寿命值的表现形式:起落次数 ；飞行小时。 1个载荷反复形成的疲劳损伤 n个相同载荷反复的疲劳损伤 线性损伤累积法则：各级载荷所造成的损伤线性累加。 K级不同载荷反复损伤累积量 疲劳破坏准则 DK = 1 疲劳破坏寿命 N块= 1 /DK Date22 3.3.3 安全寿命估算方法与步骤 局部细节应力谱 疲劳损伤累积D 材料、构件的疲劳 性能数据S N曲 线 寿命:谱小时,起落数 二、安全寿命估算步骤: 重心过载谱 结构内力分析 平飞名义应力 停机名义应力 平飞构件载荷分布 停机构件载荷分布 结束 分散系数 Date23 3.3.4 飞机结构的抗疲劳设计措施 飞

11、机结构寿命: 指飞机结构最危险部位的使用寿命,即以最危险 局部的寿命代表飞机结构的全机寿命； 问 题: a) 多危险（关键）部位; b) 综合比较(计算分析、试验，维修等)； 抗疲劳设计: 对结构危险部位采取一切有利于提高疲劳寿命的 设计措施。 基本概念 Date24 3.3.4 飞机结构的抗疲劳设计措施 抗疲劳设计原则: (材料、工艺、设计三方面) 材料是基础，工艺是关键，设计是主导 材料技术方面 综合选择静强度、疲劳性能好的材料。 LY12、LC4、LC9、30CrMnSiNiA、TC4 改善材料疲劳性能的热处理工艺方法。 改善材料表面接触环境的化学工艺方法。 改善材料表面的加工质量。 表面强化工艺：喷丸、滚压、挤压 Date25 3.3.4 飞机结构的抗疲劳设计措施 设计技术方面 合理布置结构的传力路线。 改变结构连接的受力形式。 降低应力集中 Kt。 Kt=2.5Kt=3.6Kt=1.5Kt =4.5 ？ 适当降低应力水平。 加预应力过盈配合。 冷挤压强化工艺。 改变连接接头的紧固件传力。 无予应力有予应力 有残余应力 无残余应力 Date26 3.3 安全寿命设计 小 结 基本概念及安全寿命的含义 指结构危险细 节的裂纹形成 寿命 安全寿命的估算方法 疲劳损伤的定 义及累积法则 抗疲劳设计关键技术 控制结构的细 节应力水平； 控制加工质量 Date27