飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標分析

2016-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

從現(xiàn)代飛機設計思想的發(fā)展演化和確定飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標的重要性分析入手,研究分析了國外多種戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)使用壽命問題,深入探討了這些戰(zhàn)斗機在確定機體結(jié)構(gòu)壽命指標時的內(nèi)在因素和實際方法,提出了確定飛機結(jié)構(gòu)壽命指標的具體原則和研究結(jié)論。

早期設計的飛機并沒有明確的壽命指標。到了20世紀50年代,人類歷史上第一架噴氣式旅客機英國"彗星"號在飛行中,接連發(fā)生爆炸墜海事故,一時引起世界震驚。經(jīng)研究是飛機氣密座艙因飛行高度變化,不斷受到增壓、減壓循環(huán)作用,導致機身金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞效應而斷裂破壞所引起的。這說明,按照靜強度、剛度設計的飛機,并不能保證其使用安全,飛機設計中必須考慮安全使用壽命問題。最初,解決這一問題的指導思想就是采用安全壽命設計。但是真正采用了安全壽命設計思想以后,還是不斷有飛機出現(xiàn)事故。1969年,美國空軍的一架F-111飛機機翼樞軸接頭,在飛行訓練中突然斷裂,造成機毀人亡。當時飛機僅僅用了 100多個飛行小時,遠沒有達到安全壽命使用期。此后,F-5A、KC-135、F-4等飛機接連發(fā)生類似事故。進一步證明了采用安全壽命思想設計的飛機并不能保證在安全期內(nèi)的使用安全。隨著結(jié)構(gòu)分析、理論研究水平的不斷提高,特別是斷裂力學理論的應用與發(fā)展,人們開始提出了損傷容限設計思想,就是在飛機設計中采用安全壽命/損傷容限設計,以保證飛機在使用壽命周期內(nèi)的使用安全。隨著對飛機高性能、長壽命、高可靠性以及完整性要求的不斷提高,飛機的研制成本和使用維護費用急劇增加。為此又提出了全壽命周期費用概念,并在飛機設計階段就采取有效措施以降低飛機的全壽命周期費用。因此,在飛機設計和使用中采用了經(jīng)濟壽命概念,從而形成了耐久性設計思想。
通過飛機設計思想的不斷變化,不僅提高了飛機的使用安全性,大大降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量, 同時也提高了飛機的使用經(jīng)濟性。特別是耐久性/損傷容限設計思想提高了飛機結(jié)構(gòu)分析的精確性,降低了結(jié)構(gòu)壽命的分散性,提高了飛機服役期間的安全性和可靠性,使得現(xiàn)代飛機的結(jié)構(gòu)壽命指標得以大幅提高。

一、飛機結(jié)構(gòu)壽命指標研究的意義

飛機機體結(jié)構(gòu)壽命是衡量飛機平臺設計技術(shù)水平和使用經(jīng)濟性的重要技術(shù)指標。結(jié)構(gòu)重量系數(shù)低、飛行小時和使用年限長的飛機不僅服役時間長,出勤率高,而且具有更好的技術(shù)性能和使用經(jīng)濟性能。因此實現(xiàn)低結(jié)構(gòu)重量系數(shù)、高飛行小時和長使用年限是飛機結(jié)構(gòu)設計技術(shù)不斷追求的技術(shù)目標。實現(xiàn)這一目標是要靠飛機的安全壽命/破損安全設計、安全壽命/損傷容限設計和耐久性/損傷容限設計等先進的飛機結(jié)構(gòu)設計思想來保證的。
過去,戰(zhàn)斗機的安全壽命只有1000~2000飛行小時,20世紀 70年代提高到了3000~4000飛行小時,80年代后期達到了6000~8000飛行小時。對于大型運輸機、轟炸機,甚至達到了幾萬飛行小時。飛機的日歷使用時間也從10年、15年、20年提高到了30年。
在飛機使用壽命不斷提高的同時,飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)則不斷降低,使飛機的有效載重增加,性能不斷擴大。隨著飛機性能的不斷提高,飛機采購成本增大。為保證飛機使用的經(jīng)濟性,就需要不斷提高飛機的使用壽命,而過高的使用壽命又會對飛機的使用安全構(gòu)成威脅,因此,科學合理的確定飛機結(jié)構(gòu)壽命就非常重要。

二、國外飛機機體結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標分析

1.國外三代以前戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標分析
飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)和機體結(jié)構(gòu)壽命指標是從不同角度衡量飛機機體結(jié)構(gòu)的技術(shù)指標。重量系數(shù)主要保證飛機的技術(shù)性能,結(jié)構(gòu)壽命則體現(xiàn)飛機的使用年限和飛行強度。重量系數(shù)和結(jié)構(gòu)壽命具有相互制約、相互影響的作用。隨著飛機載油量、載彈量的增加,飛機結(jié)構(gòu)在全機重量中的比例必須得到有效控制,否則,飛機性能難以保證。同時,結(jié)構(gòu)重量系數(shù)高的飛機使用經(jīng)濟性也會較差。
國外第三代戰(zhàn)斗機雖已達到8000小時的結(jié)構(gòu)壽命指標,但是飛機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)卻超過了30%,在第四代戰(zhàn)斗機上的結(jié)構(gòu)壽命雖仍舊是8000小時,但飛機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)卻降低到了27.8%,因此飛機的載油量、載彈量增加,性能得到大幅提高。
飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)和機體結(jié)構(gòu)壽命指標的提高會受到一定的限制,這些限制主要是當時本國的技術(shù)實力和使用需求。在具體指標確定時可以通過權(quán)衡,用規(guī)范或技術(shù)要求的形式提出。當然,由于不同國家的技術(shù)實力和使用需求不同,在戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)壽命指標的要求上也會有一定差異。如俄羅斯、英國、法國等對飛機機體結(jié)構(gòu)給出的壽命就相對于美國偏低。上表列舉了國外一些三代以前戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)壽命情況。
從上表中我們可以得出以下結(jié)論:
(1)20世紀80年代以前,國外戰(zhàn)斗機的使用壽命基本上為3000~4000飛行小時。80年代以后,戰(zhàn)斗機的使用壽命增加到6000~8000飛行小時。
(2)飛機的飛行小時使用壽命與裝備時間之間并不是線性關(guān)系,而是一種階梯形遞增關(guān)系。
(3)飛機的飛行小時壽命大多不是一次給出,而是分階段給出的。
(4)不同國家的戰(zhàn)斗機的使用飛行小時差別較大。如美國在80年代以后,飛行小時基本上都按照8000小時設計,而英、法國等國家飛機的飛行小時只有5000~6000小時。
2.國外第四代戰(zhàn)斗機的結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標分析
國外第四代戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)壽命也采用分階段給出的方法。如美國的F-22,最初驗證機型(YF-22)的結(jié)構(gòu)壽命只有6000飛行小時,到后來定型狀態(tài) 才給出8000飛行小時。俄羅斯的米格1.44和C-37的結(jié)構(gòu)壽命雖然不詳,但從俄羅斯飛機的一貫做法分析,也會是分階段逐步延長給出。
3.形成戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)壽命指標差別的主要因素分析
(1)飛機結(jié)構(gòu)壽命決定于多種技術(shù)因素,只有相關(guān)技術(shù)都有所發(fā)展,才能為提高飛機壽命提供支撐,任何單一技術(shù)發(fā)展并不能明顯提高飛機的機體結(jié)構(gòu)壽命。所以提高飛機結(jié)構(gòu)壽命往往需要較長的周期。而這種提高總是呈現(xiàn)一種階梯形遞增關(guān)系。
(2)飛機結(jié)構(gòu)壽命最終是要靠全機結(jié)構(gòu)疲勞試驗和飛機裝備以后的實際使用情況來決定。在飛機設計之初,往往只能根據(jù)以往機型經(jīng)驗和理論計算預估(如疲勞壽命預估等),很難精確給出可信的新機壽命指標。因此,國內(nèi)外對飛機結(jié)構(gòu)壽命都不是完全依靠理論分析和經(jīng)驗給出,而是在試驗與工程應用的基礎上分階段給出。
(3)在新技術(shù)發(fā)展成熟以后,要達到飛機設計壽命的提高,必須要有相應的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范來保證。美國在20世紀70年代以前采用的是1960年頒布的MIL-A-8866標準。該標準對飛機結(jié)構(gòu)的壽命設計要求為3000~4000小時。到了80年代以后,美軍開始采用MIL-A- 1530標準,該標準對飛機結(jié)構(gòu)壽命指標則提出了6000~8000飛行小時。
(4)飛機結(jié)構(gòu)壽命指標是一個綜合性指標,它不僅包括飛行小時和使用日歷年限,還包括飛行起落次數(shù),同時飛機的結(jié)構(gòu)壽命與飛機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)也密不可分。因此確定飛機機體結(jié)構(gòu)壽命時必須將這些因素綜合考慮。任何只強調(diào)某一單項指標的做法都是不科學的。不同國家的航空技術(shù)水平不同,飛機設計采用的材料不同,設計技術(shù)不同,設計準則不同,對飛機的使用強度要求不同,因此對結(jié)構(gòu)壽命的要求也就會不同。
(5)設計觀念上的差異
美國在飛機設計技術(shù)上,基礎好、創(chuàng)新性強,觀念新, 對飛機壽命的理解和把握比較超前,一些新的設計思想、新的設計理念往往首先被采用,因此飛機的結(jié)構(gòu)壽命要求較高且技術(shù)上能夠達到,從飛機的使用來看,雖采用8000飛行小時壽命還是不能滿足軍方的使用需求。而俄羅斯、英國、法國等則比較保守。如法國的幻影2000飛機只給出了5000飛行小時壽命。

三、確定飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標的基本原則

飛機結(jié)構(gòu)壽命并非越高越好。過分強調(diào)飛機結(jié)構(gòu)壽命要求,必然會對飛機的技術(shù)性能產(chǎn)生影響,同時也會提高飛機的生產(chǎn)成本。因此,確定飛機的結(jié)構(gòu)壽命應從需求和可能兩個方面權(quán)衡。具體原則如下:
   (1)充分考慮裝備需求,適應未來的作戰(zhàn)、訓練要求隨著裝備訓練體制改革,戰(zhàn)斗機的飛行訓練更加貼近實戰(zhàn),戰(zhàn)斗機的飛行訓練強度和難度越來越大,所以不能簡單地以現(xiàn)有飛行訓練情況來規(guī)劃20年以后的飛行情況,應有一定的超前性和預見性,以保證裝備服役以后能夠滿足未來的作戰(zhàn)、訓練要求。
   (2)立足國內(nèi)技術(shù)水平,保證技術(shù)上的可實現(xiàn)性飛機技術(shù)指標是航空技術(shù)實力的綜合體現(xiàn),實現(xiàn)高的技術(shù)指標必須要有先進的技術(shù)基礎。美國之所以能夠采用領(lǐng)先的技術(shù)指標就是因為有先進的技術(shù)基礎為依據(jù),否則任何高指標只能是空談。國內(nèi)航空技術(shù)水平與國外有差距,因此在確定指標時就應有所考慮。只有結(jié)合國內(nèi)技術(shù)水平,提出一種既先進又合理,也能夠?qū)崿F(xiàn) 的科學指標體系,才能對國內(nèi)航空技術(shù)發(fā)展和提高新裝備的使用起到促進作用。
   (3)既要有繼承性,又要有一定的技術(shù)超前性飛機的研制往往要比其裝備部隊早十幾年,甚至二十年。如果在飛機研制時提出的壽命指標沒有技術(shù)超前性,會在裝備服役以后,很快就暴露出相應的問題。航空技術(shù)發(fā)達國家在飛機結(jié)構(gòu)壽命指標確定中都充分考慮到了指標上的繼承性和技術(shù)上的超前性。美國對第三代戰(zhàn)斗機指標最初就是確定為4000飛行小時,后來又增加為6000和8000飛行小時。對四代機則一開始用6000飛行小時,后來又提出8000飛行小時,這都說明在確定指標時必須考慮技術(shù)的延續(xù)與繼承。而結(jié)構(gòu)重量系數(shù),則不斷降低,以保證飛機性能的持續(xù)提高。
   (4)綜合權(quán)衡,使各項指標協(xié)調(diào)、匹配飛機結(jié)構(gòu)壽命指標不僅僅只是飛行小時問題,它還包括日歷壽命、起落次數(shù)等,這些指標受飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)的制約。確定飛機的結(jié)構(gòu)壽命指標必須以保證一定的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為前提(如對于第四代戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)就是27%~28%)。如果不考慮飛機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù),只提飛機的壽命指標,會大大影響飛機的總體技術(shù)性能,另外, 飛機的飛行小時、日歷壽命和起落次數(shù)不協(xié)調(diào)、匹配,也會給飛機使用帶來問題。
   (5)可以采取"一步論證、分步實施"的辦法確定飛機結(jié)構(gòu)壽命的復雜性和不確定性,使得在考慮結(jié)構(gòu)壽命時可以"一步證、分步實施"。即論證階段暫時給出一個目標值或目標值范圍,然后根據(jù)飛機的立項研制時間、預計裝備使用時間,同時結(jié)合本國航空技術(shù)的發(fā)展進程進行預測,進而確定出具體的階段目標,以達到所確定的技術(shù)指標既能實現(xiàn),又能體現(xiàn)總體目標的先進性。

四、結(jié)論

飛機結(jié)構(gòu)壽命的三項技術(shù)指標既密不可分,又有一定的矛盾性,同時還受到飛機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)的制約,因此必須綜合考慮。如高的結(jié)構(gòu)使用飛行小時要求飛機具有較好的抗疲勞設計、較低的使用應力水平等;低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)則需要大量采用新材料,合理控制飛機的使用應力;長的日歷年限則需要較好的結(jié)構(gòu)抗腐蝕控制技術(shù)和抗腐蝕材料的應用等。這些要求往往是矛盾的,必須根據(jù)實際情況進行適當折中。

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