張偉 周帆 楊建江

摘 要：飛機(jī)結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何將機(jī)械產(chǎn)品在使用周期內(nèi)安全服役，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求，一定時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)揮其功能，引入強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)顯得更為重要。本文研究了強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度 設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（a）-0096-02飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是指在規(guī)定的力學(xué)環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞和保持安全工作的能力。在飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提高飛機(jī)的整體機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)不同的載荷環(huán)境以及不同的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分類(lèi)解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究領(lǐng)域主要包括靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度與氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性、疲勞/斷裂和損傷容限等。就我國(guó)現(xiàn)有情況，強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)在使用深度和應(yīng)用效果方面遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的程度。強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是一種具有可以人為控制、無(wú)破壞性、允許多次重復(fù)修改、不受外界條件限制等優(yōu)點(diǎn)的綜合性試驗(yàn)技術(shù)，能夠較大提升產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量，節(jié)約科研經(jīng)費(fèi)，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，同時(shí)縮短產(chǎn)品研制周期。本文就飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度涉及的強(qiáng)度問(wèn)題分別做詳細(xì)探討。

1 靜強(qiáng)度

在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，靜強(qiáng)度是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)在一定條件下承受最大靜載荷而不發(fā)生破壞且能安全使用的能力。其中，最大靜載荷是指飛機(jī)在允許的地面和飛行使用中能產(chǎn)生的最大和最嚴(yán)酷的疊加載荷：極限載荷是指限制載荷乘以不確定系數(shù)，以極限載荷作為設(shè)計(jì)依據(jù)，在使用過(guò)程中即使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，破壞風(fēng)險(xiǎn)也可降低到可接受的水平；破壞載荷是指在給定的載荷工況下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生總體破壞時(shí)的載荷。

1.1 靜強(qiáng)度分析

靜強(qiáng)度分析主要包括應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析及靜力穩(wěn)定性分析，并進(jìn)而對(duì)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求進(jìn)行校核。一般認(rèn)為載荷是以極其緩慢的速率作用到受力體上，且不考慮載荷的往復(fù)循環(huán)作用，不考慮材料的動(dòng)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)沒(méi)有動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的慣性力同樣進(jìn)行靜載荷處理。

1.2 靜力穩(wěn)定性

靜力穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在小于臨界靜載荷的載荷作用下處于平衡狀態(tài)，當(dāng)受到微小載荷擾動(dòng)時(shí)，在擾動(dòng)載荷消失后仍可恢復(fù)原有的變形而不繼續(xù)擴(kuò)大，保持原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受臨界靜載荷時(shí)，如果給予一個(gè)小的載荷擾動(dòng)，會(huì)使變形增加很大，使整個(gè)結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的承載能力顯著下降甚至完全失去承載能力。

2 動(dòng)強(qiáng)度與氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性

動(dòng)強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷和動(dòng)力環(huán)境下，承受振動(dòng)和沖擊而不破壞并保持安全工作的能力。飛機(jī)飛行過(guò)程中的動(dòng)載荷和動(dòng)力環(huán)境比較復(fù)雜，具有不確定性，主要包括如下方面。

2.1 振動(dòng)的動(dòng)載荷

振動(dòng)的動(dòng)載荷有兩種：突風(fēng)和晃振。突風(fēng)，指在2～3km高度以下，法向和側(cè)向的突風(fēng)在引起結(jié)構(gòu)附加載荷的同時(shí)會(huì)引起引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)抖振，飛機(jī)在急劇機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，一個(gè)部件上自身氣流發(fā)生分離而產(chǎn)生自身的強(qiáng)迫振動(dòng)，或由此分離氣流引起另一個(gè)部件產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)?；握瘢跈C(jī)動(dòng)飛行、油箱充壓及燃油晃動(dòng)下，引起脈動(dòng)壓力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)。此外還有如發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳本身是機(jī)體重要的振動(dòng)源，機(jī)載設(shè)備和系統(tǒng)中的電機(jī)、泵、液壓機(jī)等振動(dòng)源引起的振動(dòng)。

2.2 沖擊的動(dòng)載荷

主要有兩類(lèi)：第一類(lèi)，離散源撞擊，主要包括如飛鳥(niǎo)撞擊、發(fā)動(dòng)機(jī)碎片、地面碎石、冰雹、彈片等的撞擊。第二類(lèi)來(lái)自武器發(fā)射器或貨物投放，航空器著陸（或著水、著艦）、滑行和地面機(jī)動(dòng)等沖擊載荷，上述動(dòng)載荷和動(dòng)力環(huán)境通過(guò)結(jié)構(gòu)及相關(guān)系統(tǒng)固有的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生的過(guò)大產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或發(fā)生動(dòng)態(tài)疲勞損傷，影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；還會(huì)導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備、系統(tǒng)發(fā)生功能失效或損壞，嚴(yán)重影響飛機(jī)的安全。

2.3 氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性

空氣動(dòng)力與彈性結(jié)構(gòu)（如飛機(jī)、航空器）相互作用引起結(jié)構(gòu)的變形或振動(dòng)，當(dāng)空氣動(dòng)力能量超過(guò)結(jié)構(gòu)變形的能量，使變形不斷加大或空氣動(dòng)力能量超過(guò)結(jié)構(gòu)與空氣動(dòng)力阻尼耗散的能量使振動(dòng)不斷加劇，氣動(dòng)彈性就從穩(wěn)定到進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。氣動(dòng)彈性可分為靜氣動(dòng)彈性、動(dòng)氣動(dòng)彈性、氣動(dòng)伺服彈性和熱氣動(dòng)彈性。

2.4 疲勞斷裂

疲勞斷裂包括裂紋形成階段和裂紋擴(kuò)展階段，結(jié)構(gòu)本身飛機(jī)在重復(fù)載荷、載荷環(huán)境變化作用下，由微小缺陷擴(kuò)展形成微裂紋，隨著載荷不斷作用，最后形成疲勞裂紋甚至破壞。隨著飛行次數(shù)不斷增加，裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展使承載能力逐步下降，直到進(jìn)入快速裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界裂紋時(shí)發(fā)生斷裂破壞，使整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承載能力。裂紋形成壽命通常是指將裂紋達(dá)到可檢尺寸之前的壽命，而裂紋擴(kuò)展壽命是指裂紋從可檢裂紋尺寸開(kāi)始到斷裂的壽命。

裂紋出現(xiàn)和擴(kuò)展的主要原因是結(jié)構(gòu)受到重復(fù)載荷造成的，重復(fù)載荷源很多，主要有地面發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車(chē)、牽引滑行、著陸、著艦、彈射起飛、機(jī)動(dòng)飛行和突風(fēng)、操縱系統(tǒng)工作、座艙增壓、抖振和地形跟蹤飛行等。重復(fù)載荷較為復(fù)雜，通常我們用載荷譜來(lái)計(jì)算重復(fù)載荷情況。載荷譜，是指結(jié)構(gòu)所承受的載荷隨時(shí)間變化的歷程，通常由各種載荷大小、分布及相應(yīng)的頻率按出現(xiàn)先后次序排列而成或由隨機(jī)載荷過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)表示。在疲勞設(shè)計(jì)或試驗(yàn)時(shí)，通常根據(jù)疲勞損傷等效原則將實(shí)際載荷譜簡(jiǎn)化成便于表達(dá)的簡(jiǎn)單載荷譜。載荷譜的種類(lèi)也很多，常見(jiàn)的載荷譜有：等幅譜、程序塊譜、隨機(jī)譜、飛續(xù)飛譜等。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的作用

3.1 讓數(shù)字化設(shè)計(jì)成為可能

強(qiáng)度產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代完善的過(guò)程，尤其對(duì)于飛機(jī)、懸掛發(fā)射裝置、導(dǎo)彈等集各種先進(jìn)科技成果于一體的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)結(jié)果都需要進(jìn)行反復(fù)多次的地面試驗(yàn)，才能驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果能否符合要求。在引入強(qiáng)度設(shè)計(jì)獲得大規(guī)模應(yīng)用之前，大部分試驗(yàn)都是依靠產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行的，不僅成本高昂，而且試驗(yàn)一旦失敗，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)將會(huì)產(chǎn)生極大影響，無(wú)形之中增加研制成本，研制周期也得不到保證。隨著強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，推動(dòng)設(shè)計(jì)向數(shù)字化模式轉(zhuǎn)變，這個(gè)問(wèn)題終于得到了解決。

3.2 降低設(shè)計(jì)成本

20世紀(jì)90年代，數(shù)字化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證理論引入到機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。數(shù)字化驗(yàn)證是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)字化建模和仿真，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度技術(shù)設(shè)計(jì)、動(dòng)強(qiáng)度技術(shù)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)載荷仿真等，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，以此提高制造質(zhì)量，具有快速響應(yīng)、充分利用資源、超越空間約束等特點(diǎn)。對(duì)于航空懸掛發(fā)射裝置領(lǐng)域的產(chǎn)品而言，產(chǎn)品外形、布局設(shè)計(jì)都與性能指標(biāo)密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，就能大幅降低研制成本，避免走彎路。

3.3 快速準(zhǔn)確定位故障原因

機(jī)載武器裝備是飛機(jī)的重要組成部分，直接決定其戰(zhàn)斗能力。在嚴(yán)酷的試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)裂紋、沖擊破壞、靜力變形過(guò)大等諸多問(wèn)題，這些故障的出現(xiàn)只靠工程師經(jīng)驗(yàn)或者試驗(yàn)很難發(fā)現(xiàn)其根本原因。飛機(jī)裝備制造是一個(gè)國(guó)家高精尖技術(shù)的集中體現(xiàn)，在飛機(jī)飛行過(guò)程中，及時(shí)對(duì)裝備進(jìn)行裝備預(yù)示和診斷，在數(shù)以萬(wàn)計(jì)的高精密零部件中進(jìn)行精確定位，準(zhǔn)確預(yù)估故障級(jí)別，以便進(jìn)行運(yùn)行時(shí)故障排除或地面維修淮備。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)度分析技術(shù)，引入強(qiáng)度分析后，能夠快速還原故障現(xiàn)象，準(zhǔn)確定位故障原因，快速排除故障，是保持戰(zhàn)斗力的重要保證。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)際軍事實(shí)力競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的今天，強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)引入飛機(jī)設(shè)計(jì)中勢(shì)必會(huì)減少設(shè)計(jì)成本，降低研制費(fèi)用，提高飛機(jī)的整體作戰(zhàn)性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件機(jī)械產(chǎn)品強(qiáng)度設(shè)計(jì)越來(lái)越為重要地?cái)[在每一設(shè)計(jì)師面前，將是未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的主旋律。而且高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)比如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析提供有力支撐，兩者相輔相成，必將不斷促進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的飛速發(fā)展。

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