張皓

摘 要：損傷容限是一種較新的結(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，而設(shè)計(jì)者的任務(wù)是利用各種損傷理論（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。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)己經(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，缺陷

1 引言

常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法和局部應(yīng)力應(yīng)變法都是以材料的完整性為前提的。但是，實(shí)際零構(gòu)件在加工制造過(guò)程中，由于種種原因，往往存在這樣那樣的缺陷或裂紋。為了考慮初始缺陷或裂紋對(duì)疲勞壽命的影響，便在斷裂力學(xué)和破損-安全設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種新的疲勞設(shè)計(jì)方法———損傷容限設(shè)計(jì)[1]。

2 機(jī)翼的結(jié)構(gòu)受力分析

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[2]。

3損傷容限設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確地確定各種飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限分析的基礎(chǔ)。在損傷容限工程中，應(yīng)力強(qiáng)度因子K可以定義為[3]：

（1）

式中： α 表示參考工作應(yīng)力

α 對(duì)于中心裂紋，指半裂紋長(zhǎng)度；對(duì)于邊裂紋，指裂紋長(zhǎng)度

β 表示綜合修正因子，與裂紋體幾何形狀、裂紋兒何形少伏和長(zhǎng)度、加載方式以及相鄰結(jié)溝的裂紋引起的載荷再分配等因素相關(guān)。

按照損傷容限要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可分為兩大類：緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)和破損安全結(jié)構(gòu)。而后者又包括破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)和破損安全止裂結(jié)構(gòu)[4]。

1）緩慢裂紋擴(kuò)展不可檢結(jié)構(gòu)損傷容限

有些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證它在整個(gè)使用期內(nèi)不需要修理就能滿足壽命要求。另一個(gè)用途是緩慢裂紋擴(kuò)展不可檢結(jié)構(gòu)分析簡(jiǎn)單而且偏于安全，而判斷結(jié)構(gòu)是否具備破損安全條件是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。所以，工程上不管結(jié)構(gòu)是什么類型都作為緩慢裂紋擴(kuò)展不可檢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2）緩慢裂紋擴(kuò)展可檢結(jié)構(gòu)損傷容限

結(jié)構(gòu)在使用中能夠被檢查、拆卸和更換，還可以利用結(jié)構(gòu)的可檢性提高它的剩余強(qiáng)度。如果主受力構(gòu)件在尚未達(dá)到設(shè)計(jì)要求壽命時(shí)，其剩余強(qiáng)度就已經(jīng)下降到規(guī)定值以下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修更換，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)的壽命得以延長(zhǎng)。

緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

①這種方法使用起來(lái)簡(jiǎn)單可靠，分析工作量小，安全儲(chǔ)備較大。這種結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)材料的裂紋擴(kuò)展速率較低，而且應(yīng)設(shè)計(jì)成其初始缺陷擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸的壽命大于規(guī)定的飛機(jī)檢修期。

②從設(shè)計(jì)概念來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)多屬于單傳力途徑結(jié)構(gòu)或靜定結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)。

③從可檢度方面而言，只有場(chǎng)站或基地級(jí)可檢與使用中不可檢的結(jié)構(gòu)使用與緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。

3）破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)損傷容限

破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)要求當(dāng)主傳力途徑失效后殘存結(jié)構(gòu)仍能承擔(dān)最小未修使用期內(nèi)可能遭遇到的最大載荷。因此，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足如下條件時(shí)，才真正符合破壞安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)要求：

①在主傳力途徑失效前，要求結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)在最小未修使用期內(nèi)可能遭遇的最大載荷；

②在主傳力途徑失效時(shí)，殘存結(jié)構(gòu)必須有能力承受引起傳力途徑失效的載荷，再加上有斷裂元件轉(zhuǎn)嫁過(guò)來(lái)的載荷并考慮動(dòng)載效應(yīng)增量；

③必須有足夠強(qiáng)的緊固件以保證將失效結(jié)構(gòu)上的載荷傳遞到殘存結(jié)構(gòu)上。

比如機(jī)翼：機(jī)翼的設(shè)計(jì)中采用的多梁、多腹板或多桁條結(jié)構(gòu)，都可以看成是一種分散傳力結(jié)構(gòu)布局的多路傳力結(jié)構(gòu)。

由三塊整體壁板通過(guò)鋼鉚釘鏈接組成的下翼面

特點(diǎn)：多路傳力結(jié)構(gòu)保證破損安全比較可靠，許多重要結(jié)構(gòu)和構(gòu)建，如機(jī)翼大梁緣條、加強(qiáng)框等往往采用它。但由于工藝復(fù)雜、成本高和重量增加等確定，這種方法的使用受到了一定的限制，不是所有的受力構(gòu)件都適合采用。

4）破損安全止裂結(jié)構(gòu)損傷容限

破損安全止裂結(jié)構(gòu)是在安全破壞前使裂紋不穩(wěn)定快速擴(kuò)展停止在結(jié)構(gòu)的某一連接區(qū)域內(nèi)而設(shè)計(jì)和制造的結(jié)構(gòu)[5]。該結(jié)構(gòu)通過(guò)殘存結(jié)構(gòu)在的緩慢裂紋擴(kuò)展和在后續(xù)檢查中覺(jué)察損傷來(lái)保證安全。一般結(jié)構(gòu)采用多個(gè)元件組成，適當(dāng)安置止裂帶。這種設(shè)計(jì)概念對(duì)于較長(zhǎng)較大的構(gòu)件?？紤]采用。加筋板是這種結(jié)構(gòu)的典型代表。

4 問(wèn)題研究

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(mén)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)要求和檢查間隔及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。

5 結(jié)論

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)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]田曉飛， 楊平平， 王梓蓉，等. 模型飛機(jī)機(jī)翼的受力分析與仿真[J]. 航天制造技術(shù)， 2016（3）.

[3] 劉亞龍. 新支線飛機(jī)機(jī)翼下壁板損傷容限方法研究[D]. 西北工業(yè)大學(xué)， 2006.

[4] 航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院美國(guó)空軍損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

[5] 翟新康，黃其青，殷之平等.飛機(jī)整體翼梁結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)與分析[J].機(jī)械強(qiáng)度， 2008， 29（6）： 987-991.