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1、腐蚀对疲劳寿命和裂纹扩展规律的影响,杨君坦 郑宇宁 林文娟 连鹏昭,内容提纲,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,腐蚀疲劳的基本概念 腐蚀对疲劳寿命的影响 腐蚀对裂纹扩展规律的影响 小结,飞机结构的安全性,安全性是飞机结构设计的基本要求,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,飞机结构设计的演变,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang
2、 University,飞机失效分析,疲劳损伤和腐蚀损伤是两类最主要的飞机损伤形式，而疲劳损伤又多半在腐蚀环境中产生,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,腐蚀的概念,腐蚀是指金属与环境间的物理和化学相互作用，使金属性能发生变化，导致金属，环境及其构成系统受到损伤的现象。 飞机结构常见腐蚀形式： 均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、丝状腐蚀、 点腐蚀、应力腐蚀和氢脆、腐蚀疲劳、磨损腐蚀 晶间腐蚀、微生物腐蚀 腐蚀疲劳主要是湿腐蚀疲劳,School of Aeronautical Science and E
3、ngineering, Beihang University,飞机结构常见腐蚀形式,湿腐蚀是典型的电化学腐蚀,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,吸氧腐蚀,腐蚀损伤案例,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,飞机后货仓底部蒙皮外表面的腐蚀,长桁腐蚀,腐蚀疲劳概念,金属材料构件在交变载荷与腐蚀环境的联合作用下往往会显著降低构件疲劳性能，这种疲劳损伤现象称为腐蚀疲劳。 应力腐蚀是指金属在承受各种拉载荷时因具
4、体腐蚀介质影响而出现裂纹的现象，在这个过程中，材料无明显腐蚀产物，脆性断裂。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,腐蚀疲劳对结构的影响,1.局部腐蚀 2.腐蚀裂纹的形成及扩展,腐蚀对疲劳强度的影响,由于腐蚀作用使金属表面变为粗糙，形成很多坑穴、缝隙等应力集中点，此后在交变应力和腐蚀介质同时作用下，材料疲劳强度的降低就会变得更为严重。,School of Aerona
5、utical Science and Engineering, Beihang University,腐蚀对疲劳寿命的影响,结构的疲劳寿命可分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命，疲劳裂纹扩展寿命是由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。 在腐蚀疲劳过程中，裂纹起始所占的比例远远小于裂纹扩展期。 虽然关于腐蚀对疲劳性能的影响的研究没有形成统一的描述方式，但大量的研究表明腐蚀对疲劳寿命的降低主要是减少了裂纹形成寿命。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,腐蚀对疲劳寿命的影响,光滑试件在不同环境
6、下疲劳寿命的组成,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,疲劳裂纹扩展规律,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,在疲劳载荷作用下裂纹的扩展速率（即每一个载荷循环裂纹增长的长度，以 表示），是疲劳裂纹扩展规律中最主要的特征量。一般地可以用函数来表达 式中， 为外加应力， 为裂纹长度,描述裂纹扩展速率的公式,Paris公式 式中， 为应力强度因子变程， 为材料常数。 裂纹扩展速率受裂纹前缘的交变应力场的控制，
7、主要是裂纹尖端的交变应力强度因子的范围 和交变载荷的应力比,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,疲劳裂纹扩展规律,应力比不变的交变载荷的作用下， 随 的变化关系在双对数坐标系上呈下图所示的形状,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,变体飞行器发展历史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,柔性变体形式-主动气
8、动弹性机翼,智能变体飞行器的概念,变体飞行器的涵义： NASA:“变体”（Morphing）=高效、多点适应性。 高效（与传统飞行器相比）：结构更简单、重量效率更高、能量效率更高、容积效率更高； 多点：多种任务剖面； 适应性：功能扩展及在多种飞行条件下保持最优性能。 DARPA和AFRL:“变体”=状态可变。 NATO：“变体”=实时自适应以在多种飞行条件下保持性能最优。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能变体飞行器的概念,“智能变体飞行器”将新型智能材料、新型作动器、激励器、传感器无缝隙地
9、综合应用到飞行器的机翼上，通过应用灵敏的传感器和作动器，对不断改变的飞行条件做出响应，光滑而持续地改变机翼的形状，使飞行器始终保持最佳的性能和执行多种形式的作战任务。 通过智能变体技术，可实现： 提高飞行品质，扩展飞行包线； 代替常规控制面，提高飞行控制性能和隐身能力； 减小阻力，增加航程； 减小振动影响，实现颤振主动控制。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能
10、变体飞行器研究方法,学科研究方法 - 材料/结构 - 流体力学 - 控制 - 气动弹性 ,变体飞行器 研究方法,系统研究方法 - 任务需求分析 - 概念设计方法 - 多学科设计优化,智能结构力学 流场控制 智能控制 多场耦合分析 多尺度分析 ,智能变体飞行器研究方法,任务需求分析： 需要解决的问题：为什么要使用变体飞行器技术？何时使用？ 并不是在所有的情况下使用变体飞行器技术都是最高效的。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,重量 费用,性能,Trade-off,School of Aeronau
11、tical Science and Engineering, Beihang University,智能变体飞行器研究方法-概念设计,Buckle-Wing concept,Flexible multi-body concept,Variable gull-wing concept,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能变体飞行器研究方法-MDO,智能变体飞行器的构想主要来源于仿生，精髓是集成，即知识集成、技术集成、结构集成、系统集成。 智能变体飞行器研制中涉及的主要问题包括变形体空气动力学、微
12、流体力学、智能流动控制等,对发动机推进、新材料、新结构、新工艺、控制技术、测量技术、电子设备、新型高效能源技术等方面也提出了更高的要求和新的挑战。 为了使基于智能结构的飞行器的性能达到最优，针对智能结构的对传感器和驱动器的位置、控制器参数、结构参数、翼形变化的规律进行多学科综合优化设计的方法展开研究。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能变体飞行器研究方法-MDO,总体参数优化,多学科设计优化,序列优化设计,目标,目标,总体参数优化 包含多个学科 分析模型简单 适用范围有限 在一台计算机上,序
13、列优化设计 分析模型的精度较高 串行模式，周期长 自动化程度低 难于获得整体最优解,多学科设计优化 包含多个学科，整体最优 采用高精度的分析模型 适用于新概念飞行器 分布式计算模式,飞行器MDO是飞行器传统优化方法的新发展,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,变形机构,变后掠翼飞机使用的枢轴机构依然有应用前景,传动机构是实现机翼伸展和折叠变形的关键,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,自适应结构,主动
14、桁架结构是实现机翼平面变形的关键,各种改变翼肋形状的结构可以实现翼型和机翼弯度的改变,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,压电材料特点： 贴片形式 小应变 快速响应 结构完整性,压电陶瓷材料改变机翼形状,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,形状记忆合金特点 大应变 低速响应 热激励,形状记忆合金驱动器改变机翼剖面形状,形状记忆合金发动机罩后缘：降噪、降低热辐射,School o
15、f Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,形状记忆聚合物 多稳态材料 电/磁流变液材料 超磁致伸缩材料 ,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能蒙皮,智能蒙皮是在飞行器蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统，从而实现流体边界层控制等功能。 智能蒙皮通过控制把边界层维持层流状态，或者对湍流进行控制，大大减小飞行器飞行中的阻力，延迟在机翼的空气流动分离，从而提高飞行器性能，减小燃料的消耗。,School o
16、f Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能蒙皮,通过各种新型的智能材料实现蒙皮的自适应性,柔性蜂窝蒙皮 （零/负刚度、泊松比材料）,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驱动器,由于变形飞行器需要在高速飞行下在很短的时间 内完成机翼形状的改变，因此需要高效、轻质、高可靠性的新型驱动器来完成飞行器外形的改变。同时，驱动器的布置，即如何实现均匀传送载荷的分布式驱动器系统也是研究的重点。,机翼折叠,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驱动器,真正的变形飞行器是新型变形机构、自适应结构、智能材料、智能驱动器无缝地综合应用与飞行器的一种新的设计理念。,洛马公司MAS方案通过高效压电驱动器、转动机构、可伸展蒙皮实现,School of Ae
