朱文蘭+夏明+陳付奎+譚小輝+張惠兵

摘要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單純的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)已經(jīng)被損傷容限耐久性設(shè)計(jì)代替。損傷容限耐久性設(shè)計(jì)成為當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞損傷容限；耐久性；疲勞；腐蝕；剩余強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：V215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0139-01

1概述

損傷容限主要包括：在規(guī)定的壽命增量?jī)?nèi)，結(jié)構(gòu)能成功地遏制損傷而無(wú)損于飛行安全的能力；在遭受疲勞、腐蝕、意外或離散源引起的定量損傷后，在一定的使用期內(nèi)，結(jié)構(gòu)保持其剩余強(qiáng)度的能力。

2機(jī)翼的功用及結(jié)構(gòu)受力分析

機(jī)翼安裝在飛機(jī)機(jī)身上，主要功用產(chǎn)生升力的一個(gè)重要部件，是飛機(jī)能夠飛行的根本保障。從機(jī)翼的翼形上看，它成的上反角為飛機(jī)提供一定的橫向穩(wěn)定性。從機(jī)翼的結(jié)構(gòu)上看，在它的后緣一般還布置有橫向操縱用的副翼及擾流片等附翼裝置。同時(shí)為了改善機(jī)翼的空氣動(dòng)力效用，在前和后緣還裝有形式各樣的襟翼及縫翼等增升裝置，以提高飛機(jī)的起飛著陸或機(jī)動(dòng)性能。為保證安全，很多飛機(jī)都把燃油儲(chǔ)存在機(jī)翼內(nèi)。防置燃油的油箱有整體油箱和軟油箱兩種，為減輕重量，近代飛機(jī)機(jī)翼油箱很多為整體油箱。

機(jī)翼通常分為中央翼、中外翼?yè)敉庖砣齻€(gè)盒段。翼盒是機(jī)翼盒段的主要承力部件，承受機(jī)翼上產(chǎn)生的所有載荷。翼盒由上下壁板、前后梁及翼肋組成。上、下壁板起承受氣動(dòng)載荷和維持機(jī)翼外形的作用。翼肋分為普通肋和加強(qiáng)肋兩種。普通肋不參與總體受力，它的主要功用是承受局部氣動(dòng)載荷和維持剖面形狀。加強(qiáng)肋則有兩個(gè)作用，一是用來(lái)承受其他部件傳遞而來(lái)的集中載荷，將它擴(kuò)散成分布剪流傳遞到與之相連的壁板和梁所組成的翼盒上；二是將某種形式的分散剪流轉(zhuǎn)換成另一種形式的分散剪流。前后梁的主要外載是由每個(gè)肋傳來(lái)的剪力。

3損傷容限設(shè)計(jì)的定義及由來(lái)

作為一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，損傷容限設(shè)計(jì)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中。

損傷容限（damage tolerance）是一種較新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。該理論假設(shè)，任何結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部都有來(lái)自加工及使用過(guò)程的缺陷，而如何利用各種損傷理論（如斷裂力學(xué)）以及給定的外載荷，確定這些缺陷的擴(kuò)展速度以及結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度從而更好地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則是設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)。

由于新工藝、新材料及其在新環(huán)境中的大量使用，在第二次世界大戰(zhàn)期間，世界上接連發(fā)生了許多起低應(yīng)力脆斷的災(zāi)難性事故。這當(dāng)中最為著名的有：美國(guó)1942~1948年，近五千艘焊接油船——“自由輪”和“T—2”在使用中發(fā)生了一千多次低應(yīng)力脆斷事故，當(dāng)中有238艘完全報(bào)廢，有21艘折段；1950年，美國(guó)導(dǎo)彈——“北極星”的260英寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體（用高強(qiáng)度材料σb＝1400 MPa制造），在實(shí)驗(yàn)發(fā)射時(shí)脆斷、爆炸，當(dāng)時(shí)其破壞應(yīng)力不足屈服極限的一半；1954年，美國(guó)“慧星號(hào)”飛機(jī)在空中發(fā)生脆斷性事故，同年在北大西洋“世界協(xié)和號(hào)”巨輪折成兩半；1954~1956年美國(guó)有多起大型電站轉(zhuǎn)子斷裂；60年代美英日等國(guó)均發(fā)生多起壓力容器爆炸性事故。

通過(guò)上述這些斷裂性事故，設(shè)計(jì)人員逐漸意識(shí)到僅僅依靠疲勞設(shè)計(jì)并不能保證安全，建立在斷裂學(xué)基礎(chǔ)上的損傷容限設(shè)計(jì)逐步發(fā)展起來(lái)。

4損傷容限設(shè)計(jì)的作用及分類

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)方法是在總結(jié)以往飛機(jī)設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)并在斷裂力學(xué)理論的發(fā)展基礎(chǔ)上，以設(shè)計(jì)規(guī)范形式確定下來(lái)的一種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這一設(shè)計(jì)方法是對(duì)安全壽命、破損安全等設(shè)計(jì)方法的補(bǔ)充和發(fā)展，既能較好地保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，又是較經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)方法。承認(rèn)在結(jié)構(gòu)中存在一定程度的末被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋和其他損傷是損傷容限設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)損傷容限特性分析與試驗(yàn)，給出可檢的結(jié)構(gòu)檢修周期及不可檢結(jié)構(gòu)最大允許初始損傷。從而保證不至于因?yàn)槲幢话l(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋或其他損傷擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)在給定的使用壽命期限內(nèi)出現(xiàn)災(zāi)難性的事故。

以下三個(gè)同等重要的因素是組成損傷容限結(jié)構(gòu)的特性所具有的。

1）臨界裂紋尺寸（剩余強(qiáng)度）。它表明在剩余強(qiáng)度要求的載荷作用下，詼結(jié)構(gòu)允許存在的最大損傷；或在某一規(guī)定的損傷情況，結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度能力應(yīng)大于對(duì)該結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度要求值（即損傷容限載荷）。

2）裂紋擴(kuò)展。在該結(jié)構(gòu)部位的載荷譜和環(huán)境譜作用下，裂紋長(zhǎng)度從可檢裂紋尺寸（初始裂紋尺寸）至臨界裂紋尺寸值之間的裂紋擴(kuò)展期。

3）損傷檢查。各種檢查方法及檢查周期的選擇．

5機(jī)翼?yè)p傷容限設(shè)計(jì)方法

損傷容限設(shè)計(jì)方法是在應(yīng)用斷裂力學(xué)的基本原理基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)、制造、分析評(píng)估、試驗(yàn)及維護(hù)諸方面全方位地實(shí)施結(jié)構(gòu)控制，最終完成損傷容限設(shè)計(jì)的要求和目標(biāo)。就機(jī)翼來(lái)說(shuō)，損傷容限設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面。

1）根據(jù)各個(gè)部位應(yīng)力水平使用適當(dāng)?shù)牟牧希ㄊＳ鄰?qiáng)度≥設(shè)計(jì)載荷），并對(duì)結(jié)構(gòu)材料纖維方向及材料本身進(jìn)行控制。

2）選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局（如多路傳力結(jié)構(gòu)、多重元件或止裂構(gòu)件的布置），以及高度開(kāi)敞并可檢的損傷容限結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與使用，即機(jī)翼上壁板合理設(shè)計(jì)布置維護(hù)口蓋（包括口蓋的大小、位置等），用以檢查油箱內(nèi)部主要受力部件。

3）合理地使用應(yīng)力水平控制。

4）制造和工藝的控制。緊固件的配合形式及開(kāi)孔區(qū)域的強(qiáng)化同樣對(duì)結(jié)構(gòu)損傷容限起了至關(guān)重要的作用。在機(jī)翼盒段設(shè)計(jì)中對(duì)主要受力構(gòu)件間的連接形式，如梁緣條、梁腹板與梁立柱的連接、壁板與梁的連接、壁板與壁板的搭接等無(wú)需拆卸部位采取過(guò)盈配合的連接螺栓或者鉚釘。而在可卸的主要受力構(gòu)件，或者是主要受力位置的開(kāi)孔區(qū)域，如中央翼與中外翼的對(duì)接孔，則可以采用表面噴丸強(qiáng)化的方式，提高其損傷容限。

5）采用精細(xì)的檢驗(yàn)程序（向生產(chǎn)部門發(fā)出設(shè)計(jì)文件，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同的類型和不同的可檢度，分類提出損傷檢查的詳細(xì)要求和檢查間隔、檢查手段和靈敏度要求等）。對(duì)機(jī)翼來(lái)說(shuō)檢驗(yàn)部位則是壁板、梁和翼肋的主要承力部件，如梁上的主要受力部件：上下梁緣條、梁與機(jī)身連接接頭等；壁板上主要受力部件：壁板與壁板對(duì)接位置等；以及主要的受力端肋上的接頭等。

6結(jié)束語(yǔ)

從設(shè)計(jì)技術(shù)上看，相對(duì)于單純的疲勞設(shè)計(jì)，損傷容限耐久性設(shè)計(jì)更具有科學(xué)性、理論性和實(shí)用性。至今，各國(guó)先進(jìn)飛機(jī)的主要設(shè)計(jì)思想仍是耐久性損傷容限設(shè)計(jì)。在JSSG2206（1998112）——美國(guó)空海軍聯(lián)合規(guī)范（當(dāng)今世界上最新的飛機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范）對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性要求中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的主線依然是耐久性損傷容限設(shè)計(jì)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)經(jīng)過(guò)世界各國(guó)20多年的工程實(shí)踐和航空工業(yè)的發(fā)展。其核心技術(shù)耐久性損傷容限設(shè)計(jì)要求，代表了新的設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展方向，也是設(shè)計(jì)先進(jìn)飛機(jī)應(yīng)遵循的準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)

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