全面解析損傷容限設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度分析

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

背景

從60年代末期起的幾年當(dāng)中。原按疲勞安全壽命設(shè)計(jì)的多種美國(guó)空軍飛機(jī)出現(xiàn)了某些斷裂事故,因此,按安全壽命設(shè)計(jì)并不能確保飛機(jī)的安全,因?yàn)樗鼪](méi)有考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)在使用之前,由于材料、生產(chǎn)制造和裝配過(guò)程中已存在不可避免的漏檢的初始缺陷和損傷;加之當(dāng)時(shí)使用的高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度合金的斷裂韌性降低等原因,這些缺陷、損傷于使用過(guò)程中在重復(fù)載荷作用下將不斷擴(kuò)展,直至擴(kuò)展失控造成結(jié)構(gòu)破壞和災(zāi)難性事故。

因此美國(guó)于1974-1975年頒布了第一部損傷容限設(shè)計(jì)規(guī)范。

損傷容限設(shè)計(jì)思想

1. 基本概念

損傷容限是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用周期內(nèi),抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導(dǎo)致破壞的能力。簡(jiǎn)單地說(shuō),就是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)中初始缺陷及其在使用中缺陷發(fā)展的允許程度。因此,損傷容限設(shè)計(jì)概念是承認(rèn)結(jié)構(gòu)在使用前就帶有初始缺陷,但必須通過(guò)設(shè)計(jì)的方法把這些缺陷或損傷在規(guī)定的維修使用期內(nèi)的增長(zhǎng)控制在一定的范圍內(nèi),在此期間,結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)定的剩余強(qiáng)度要求(含缺陷或含裂紋結(jié)構(gòu)的承載能力),以保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

因此,損傷容限設(shè)計(jì)思想研究的對(duì)象是那些影響飛行安全的結(jié)構(gòu)部件在使用壽命期內(nèi)的安全裕度問(wèn)題。

從損傷容限設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容上看,就是通過(guò)設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)可檢結(jié)構(gòu)給出檢修周期,對(duì)不可檢結(jié)構(gòu)提出嚴(yán)格的剩余強(qiáng)度要求和裂紋增長(zhǎng)限制,以保證結(jié)構(gòu)在給定的使用壽命期內(nèi),不至因未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷擴(kuò)展失控而造成飛機(jī)的災(zāi)難性事故。

因此損傷容限設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)就是通過(guò)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)維修的各種手段,保證飛機(jī)在使用壽命期內(nèi)其剩余結(jié)構(gòu)(帶損傷結(jié)構(gòu))仍然能夠承受使用載荷的作用,不發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞或過(guò)分變形,并提供保證安全性所要求的檢查水平。

結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)的基本概念

損傷容限設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)以及使用維修四大方面的技術(shù)內(nèi)容:

(1) 設(shè)計(jì)

• 制定設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)要求;

• 結(jié)構(gòu)分類(lèi)劃分及其設(shè)計(jì)選擇原則;

• 結(jié)構(gòu)材料的選擇;

• 結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì);

• 制造裝配中的質(zhì)量控制設(shè)計(jì)。

(2) 分析

• 危險(xiǎn)部位的選擇與分析;

• 載荷和應(yīng)力譜的分析;

• 初始損傷品質(zhì)的評(píng)定;

• 裂紋擴(kuò)展分析;

• 剩余強(qiáng)度分析。

(3) 試驗(yàn)

重要結(jié)構(gòu)部件與全機(jī)損傷容限試驗(yàn)。

(4) 使用與維修

• 結(jié)構(gòu)損傷的無(wú)損檢測(cè);

• 檢查能力評(píng)估與檢查間隔制定。

2. 損傷容限設(shè)計(jì)與安全壽命設(shè)計(jì)方法的區(qū)別

總結(jié)安全壽命設(shè)計(jì)思想可以看出,安全壽命設(shè)計(jì)概念在于認(rèn)為飛機(jī)在使用前結(jié)構(gòu)是完好無(wú)損的,在使用壽命期內(nèi)也不應(yīng)出現(xiàn)可檢裂紋。一旦在疲勞關(guān)鍵部位出現(xiàn)宏觀可檢裂紋就認(rèn)為結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞。這就是說(shuō)安全壽命設(shè)計(jì)只考慮裂紋形成壽命,不考慮裂紋擴(kuò)展壽命,并規(guī)定安全壽命的給出必須通過(guò)全尺寸疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)疲勞破壞固有的分散性及一些不確定的因素用分散系數(shù)來(lái)考慮。

安全壽命設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)疲勞關(guān)鍵部位進(jìn)行合理的選材,開(kāi)展抗疲勞結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),適當(dāng)控制應(yīng)力水平,改善結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞品質(zhì),注意降低幾何、材料和載荷不連續(xù)造成的應(yīng)力集中,以及在生產(chǎn)過(guò)程中貫徹良好的質(zhì)量控制,使飛機(jī)結(jié)構(gòu)在譜載荷作用下,保證飛機(jī)在安全使用壽命期內(nèi)疲勞破壞概率最小。通過(guò)設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)所給出的安全壽命應(yīng)滿(mǎn)足訂貨方提出的設(shè)計(jì)使用壽命要求。

對(duì)比前面所講的損傷容限設(shè)計(jì)思想。我們可知這兩種不同的設(shè)計(jì)原理在對(duì)結(jié)構(gòu)初始缺陷狀態(tài)的認(rèn)識(shí)出發(fā)點(diǎn)上就存在著差異,這樣,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、分析評(píng)估體系以及試驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)心焦點(diǎn)等諸方面也就存在著差異。因此,安全壽命設(shè)計(jì)與損傷容限設(shè)計(jì)在概念內(nèi)容、方法等方面有著實(shí)質(zhì)的不同。但應(yīng)當(dāng)說(shuō)是在不同意義上解決結(jié)構(gòu)的使用壽命設(shè)計(jì)及飛機(jī)安全問(wèn)題,總的目標(biāo)是一致的,而且在結(jié)構(gòu)件抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的原理上仍有許多共同之處。

損傷尺寸與載荷循環(huán)數(shù)的關(guān)系

上圖以工程上直觀的形式給出了這兩種設(shè)計(jì)所關(guān)心的裂紋或損傷不同階段的示意曲線.圖中所列的幾個(gè)特征性損傷尺寸意義如下:

ai——對(duì)應(yīng)疲勞起裂點(diǎn)(對(duì)應(yīng)主導(dǎo)裂紋的形成點(diǎn));

a1——對(duì)應(yīng)安全壽命(又稱(chēng)疲勞壽命)終結(jié)點(diǎn)的宏觀可檢裂紋;

a2——對(duì)應(yīng)外場(chǎng)使用中檢測(cè)儀器手段所能測(cè)定的裂紋尺寸;

a0——對(duì)應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)起點(diǎn)的按規(guī)范規(guī)定的初始裂紋尺寸;

acr——對(duì)應(yīng)裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展的臨界裂紋尺寸。

由上圖可見(jiàn),由疲勞源引發(fā)的疲勞裂紋總壽命應(yīng)是由裂紋形成壽命N1和裂紋擴(kuò)展壽命N2兩部分組成。即

在按損傷容限設(shè)計(jì)的壽命估算中,因首先承認(rèn)存在初始缺陷a0,故N1=0,裂紋擴(kuò)展壽命即為總壽命,即

事實(shí)上,在實(shí)踐中形成了一種安全壽命/損傷容限設(shè)計(jì)思想,即用抗疲勞設(shè)計(jì)方法確定飛機(jī)的安全壽命,用損傷容限設(shè)計(jì)確定結(jié)構(gòu)損傷的檢查間隔,以進(jìn)一步保證飛機(jī)的飛行安全。目前已較多采用了這種組合設(shè)計(jì)方案。

3. 損傷容限設(shè)計(jì)與斷裂力學(xué)的關(guān)系

結(jié)構(gòu)中存在的缺陷、損傷或裂紋實(shí)際上都是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受損狀態(tài),只不過(guò)是這些術(shù)語(yǔ)所描述的受損幾何形態(tài)不同而已。損傷容限設(shè)計(jì)方法中對(duì)這些受損的幾何形態(tài)都等效成簡(jiǎn)單幾何形態(tài)的裂紋來(lái)處理,這是因?yàn)閿嗔蚜W(xué)在含裂體方面的眾多研究成果為損傷容限的設(shè)計(jì)分析方法提供了強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。損傷容限設(shè)計(jì)關(guān)心的問(wèn)題包括:

(1) 剩余強(qiáng)度與裂紋尺寸的關(guān)系如何?

(2) 在預(yù)期的工作載荷下,能夠容許多大的裂紋?即臨界裂紋尺寸是多少?

(3) 裂紋從一定長(zhǎng)度的初始尺寸,擴(kuò)展到臨界尺寸需要多長(zhǎng)時(shí)間?

(4) 在結(jié)構(gòu)工作壽命開(kāi)始時(shí),允許存在多大的初始缺陷?

(5) 每隔多長(zhǎng)時(shí)間,應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次裂紋檢查(即裂紋檢查周期的確定)?

可以說(shuō),損傷容限設(shè)計(jì)的分析評(píng)估體系完全有賴(lài)于斷裂力學(xué)的研究與發(fā)展。

飛機(jī)損傷容限設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法

1. 損傷容限設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

損傷容限設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1) 盡量將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成破損安全結(jié)構(gòu),例如采用多傳力途徑的結(jié)構(gòu)布局,靜不定結(jié)構(gòu)型式及組合承力結(jié)構(gòu)等,并且使結(jié)構(gòu)具有緩慢裂紋擴(kuò)展特性。

(2) 保證結(jié)構(gòu)破損安全的關(guān)鍵是定期地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查或考驗(yàn)性試驗(yàn)。因此對(duì)于易產(chǎn)生裂紋的重要構(gòu)件,要盡量設(shè)計(jì)成可檢結(jié)構(gòu)。有開(kāi)敞的檢查道路,以便日常維護(hù)檢查、修理和更換。

(3) 正確合理的確定檢查周期是保證結(jié)構(gòu)破損安全的關(guān)鍵。要確定檢查周期必須確定最小可檢裂紋尺寸和破損安全載荷下臨界裂紋尺寸。這就要求比較準(zhǔn)確地計(jì)算對(duì)應(yīng)于每一個(gè)裂紋的剩余強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展速率。從而使裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算更符合實(shí)際情況。

(4) 采用斷裂韌度高、抗裂紋擴(kuò)展性能好的材料,以保證結(jié)構(gòu)具有較高的剩余強(qiáng)度和緩慢裂紋擴(kuò)展特性,如下圖所示。當(dāng)材料的斷裂韌度提高,而使臨界裂紋尺寸由提高ac到2ac,能用于檢查的總間隔由BC增加到BD。同樣緩慢裂紋擴(kuò)展速率降低,不但可增加不可檢查裂紋以前裂紋擴(kuò)展壽命,并且用于檢查周期的裂紋擴(kuò)展壽命增加(如下圖)。

由于斷裂韌度提高使檢查間隔增加

由于裂紋擴(kuò)展速率降低使檢查間隔增加

(5) 最小可檢裂紋尺寸的確定取決于所選用的檢測(cè)手段和監(jiān)測(cè)人員技術(shù)水平。提高檢測(cè)靈敏度對(duì)提高結(jié)構(gòu)的安全性起非常重要的作用。從增加檢查周期上看,它甚至比提高材料的斷裂韌度更明顯。由于小裂紋階段裂紋擴(kuò)展率很低,當(dāng)最小可檢裂紋尺寸由降到時(shí),可用于檢查的時(shí)間間隔幾乎增加一倍

(6) 對(duì)于那些較長(zhǎng)、較大的零件應(yīng)考慮止裂措施,如采用止裂孔、止裂帶和結(jié)構(gòu)分段等,以防止裂紋快速擴(kuò)展。

(7) 合理的控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平。應(yīng)當(dāng)綜合強(qiáng)度、剛度、損傷容限、耐久性和可靠性幾方面的要求,減輕結(jié)構(gòu)重量情況下合理確定應(yīng)力水平和設(shè)計(jì)指標(biāo)。

損傷容限設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜而又重要的工作,需要一系列的分析、計(jì)算和試驗(yàn)。特別對(duì)于采用高強(qiáng)度材料的承力結(jié)構(gòu),承受多次重復(fù)載荷的構(gòu)件,尤其是有較大應(yīng)力集中部位,反復(fù)受高溫作用或受到劇烈振動(dòng)及氣流擾動(dòng)部位;以及環(huán)境條件惡劣、抗應(yīng)力腐蝕較差的部位。要認(rèn)真、細(xì)致地執(zhí)行損傷容限設(shè)計(jì)要求,采用一些抗斷裂的工藝措施。對(duì)重要的危險(xiǎn)部位必須在加工和使用中提出特殊的工藝及檢查要求。同時(shí)有相應(yīng)措施以保證危險(xiǎn)構(gòu)件的可跟蹤性。

2. 損傷容限設(shè)計(jì)步驟

損傷容限設(shè)計(jì)目的是保證飛機(jī)的安全性,為此損傷容限設(shè)計(jì)工作必須從飛機(jī)總體設(shè)計(jì)階段開(kāi)始。

損傷容限設(shè)計(jì)步驟如下:

(1) 確定設(shè)計(jì)使用載荷譜

(2) 確定飛機(jī)安全結(jié)構(gòu)和斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

(3) 合理選擇材料

兼顧靜強(qiáng)度、剛度和疲勞設(shè)計(jì)要求,選擇抗斷裂性能好的材料。對(duì)選定的結(jié)構(gòu)材料,如材料手冊(cè)中缺乏材料的斷裂韌度和裂紋擴(kuò)展計(jì)算所需的材料常數(shù)時(shí),則需通過(guò)材料實(shí)驗(yàn)確定上述材料常數(shù)。

(4) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類(lèi)

根據(jù)破損安全結(jié)構(gòu)各類(lèi)型的特點(diǎn)、局部應(yīng)力場(chǎng)分析、結(jié)構(gòu)的可檢查性和規(guī)范規(guī)定的6種可檢查度,以及設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn),初步確定結(jié)構(gòu)類(lèi)型和檢查級(jí)別。在損傷容限設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷修改,使其達(dá)到損傷容限設(shè)計(jì)要求。

(5) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

(6) 確定初始缺陷尺寸

(7) 對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行裂紋擴(kuò)展和剩余強(qiáng)度分析,確定臨界裂紋長(zhǎng)度、剩余強(qiáng)度水平和裂紋擴(kuò)展壽命。修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(8) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷容限實(shí)驗(yàn)

(9) 制定維修計(jì)劃,并給出使用維修大綱

針對(duì)飛機(jī)達(dá)到使用壽命前需要修理的全部部位,根據(jù)分析與試驗(yàn)結(jié)果給出的檢查方法、檢修周期和允許的最大初始損傷尺寸等,制定維修計(jì)劃并給出使用維修大綱。

(10) 使用期間進(jìn)行跟蹤

同一批生產(chǎn)飛機(jī)由于使用過(guò)程不同,實(shí)際的損傷度并不相同。為此需要測(cè)出并記錄實(shí)際的載荷譜,以便和設(shè)計(jì)載荷譜相比較。通過(guò)數(shù)據(jù)處理,定出實(shí)際損傷度和實(shí)際可用壽命。根據(jù)實(shí)際壽命的差別調(diào)整飛機(jī)的檢修周期和部件的更換計(jì)劃,直到經(jīng)濟(jì)上不值得再修理為止。這種用經(jīng)濟(jì)價(jià)值來(lái)決定的飛機(jī)壽命稱(chēng)經(jīng)濟(jì)壽命。故跟蹤也是損傷容限設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

3. 損傷容限設(shè)計(jì)內(nèi)容

損傷容限設(shè)計(jì)步驟中所涉及工作均屬于損傷容限設(shè)計(jì)內(nèi)容,本節(jié)僅重點(diǎn)介紹損傷容限設(shè)計(jì)中部分內(nèi)容,讀者可參考相應(yīng)手冊(cè)。

(1) 確定飛行安全結(jié)構(gòu)和斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)規(guī)范要求飛行安全結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行損傷容限設(shè)計(jì),滿(mǎn)足損傷容限設(shè)計(jì)規(guī)范要求。損傷容限設(shè)計(jì)規(guī)范并不要求全部飛機(jī)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足損傷容限設(shè)計(jì)要求,僅僅對(duì)飛行安全結(jié)構(gòu)而言。因此在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定飛行安全結(jié)構(gòu)。有的設(shè)計(jì)部門(mén)還規(guī)定飛機(jī)受力結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行損傷容限設(shè)計(jì),如不按損傷容限設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)必須通過(guò)總設(shè)計(jì)師批準(zhǔn)。飛行安全結(jié)構(gòu)確定后,根據(jù)結(jié)構(gòu)型式、應(yīng)力分析、制造工藝和材料特性確定斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和危險(xiǎn)部位。

(2) 載荷譜和應(yīng)力譜確定

載荷譜的確定是損傷容限設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全可靠性。載荷譜的確定工作可以和疲勞設(shè)計(jì)以及耐久性設(shè)計(jì)工作中載荷譜確定工作相結(jié)合。載荷譜編制一般是應(yīng)用疲勞累積損傷統(tǒng)計(jì)理論,將實(shí)際飛機(jī)使用中作用于飛機(jī)上的復(fù)雜的譜載荷,按一定程序編制成設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的疲勞載荷譜。損傷容限設(shè)計(jì)中所采用的載荷譜應(yīng)注意下列問(wèn)題:

① 高低載荷的排列順序問(wèn)題

在飛機(jī)所經(jīng)歷的載荷時(shí)間歷程中,高低載荷排列順序?qū)α鸭y擴(kuò)展速率影響較大。在損傷容限設(shè)計(jì)中一般要求使用反映載荷順序的飛-續(xù)-飛譜。飛-續(xù)-飛載荷/環(huán)境譜中包含飛機(jī)所經(jīng)歷的重復(fù)載荷和環(huán)境。如機(jī)動(dòng)載荷、陣風(fēng)載荷、地面載荷、內(nèi)部增壓和沖擊振動(dòng)等其它載荷。環(huán)境條件主要考慮溫度、濕度和腐蝕環(huán)境。飛-續(xù)-飛譜是以一次飛行接一次飛行地排列飛機(jī)所經(jīng)歷的載荷-時(shí)間歷程,每次飛行代表飛機(jī)一種特定的典型使用任務(wù)。該譜一般以一定的時(shí)間作為循環(huán)周期,在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi),各次飛行之間的載荷時(shí)間歷程有差別,但其總和代表飛機(jī)所有典型使用任務(wù)。

由于飛機(jī)在每次飛行中所經(jīng)歷的載荷及其順序的隨機(jī)性很大,目前排列每次飛行中載荷順序的方法有兩種。一種是在每次飛行中,首先按實(shí)際情況排列一些可預(yù)計(jì)的載荷因素、順序或條件,然后用隨機(jī)抽樣的辦法排列那些不可預(yù)測(cè)的載荷因素、順序或條件。該方法能夠較好地反映載荷譜的隨機(jī)性。另一種方法是在每次飛行中按低-高-低的順序排列所有的載荷循環(huán),此方法目前應(yīng)用較少。

飛-續(xù)-飛譜可分為三種:典型任務(wù)剖面譜,任務(wù)段-任務(wù)段譜和基本機(jī)動(dòng)飛行譜。典型任務(wù)剖面譜是以典型任務(wù)剖面為基礎(chǔ),每次飛行代表一個(gè)典型任務(wù)剖面,每個(gè)任務(wù)剖面內(nèi)載荷循環(huán)隨機(jī)排列。任務(wù)段-任務(wù)段譜是強(qiáng)調(diào)每次飛行中很明顯的任務(wù)段順序,即起飛、爬升、各種機(jī)動(dòng)、下降、著陸等。以任務(wù)段為基礎(chǔ),首先按照可以預(yù)測(cè)的任務(wù)段順序排列,然后,隨機(jī)地從各任務(wù)段對(duì)應(yīng)的載荷譜統(tǒng)計(jì)資料中提取和排列可能經(jīng)受的各種載荷循環(huán)。基本機(jī)動(dòng)飛行譜是以許多最基本的機(jī)動(dòng)飛行為基礎(chǔ)的飛-續(xù)-飛譜。這種譜能夠充分反映在每個(gè)基本機(jī)動(dòng)飛行中,結(jié)構(gòu)各個(gè)疲勞關(guān)鍵部位在不同時(shí)間點(diǎn)上經(jīng)歷的最大和最小載荷循環(huán),適用于高機(jī)動(dòng)過(guò)載為主的戰(zhàn)斗機(jī)。

② 高載的截取問(wèn)題

高載荷是造成構(gòu)件破壞的主要原因,高載循環(huán)也是造成疲勞損傷的重要組成部分,如何防止超載引起的破壞,如何處理載荷譜中最高級(jí)(或稱(chēng)截取級(jí))載荷的峰值與最低級(jí)載荷谷值的獲取,多半與超載引起的遲滯和負(fù)載抵消遲滯或加速擴(kuò)展的現(xiàn)象相關(guān)聯(lián),他們對(duì)裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)是至關(guān)重要的。過(guò)高的截取級(jí),使裂紋擴(kuò)展延緩而延長(zhǎng)使用壽命,這種有利影響的過(guò)高估計(jì)會(huì)造成安全性問(wèn)題;但過(guò)低的估計(jì)則會(huì)造成保守的設(shè)計(jì)或采用昂貴的維修計(jì)劃。

③ 低載截除問(wèn)題

低應(yīng)力幅對(duì)裂紋擴(kuò)展的貢獻(xiàn)很小,尤其是在遲滯效應(yīng)作用下顯得更突出,為了加快裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算的速度,以節(jié)省經(jīng)費(fèi)和周期,降低于某一應(yīng)力幅值的載荷截除(即截除級(jí))稱(chēng)低載截除。一般地說(shuō),在短裂紋階段,疲勞極限可作為截除的極限應(yīng)力,但長(zhǎng)裂紋階段,裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值以下裂紋不擴(kuò)展,而低于疲勞極限應(yīng)力仍可能造成裂紋擴(kuò)展。在運(yùn)輸機(jī)中應(yīng)力比R較大的小循環(huán)在疲勞裂紋擴(kuò)展中將引起較大的損傷。因此低載截除不能簡(jiǎn)單的從應(yīng)力上規(guī)定,而是采用等損傷辦法將循環(huán)數(shù)減少,即截除低應(yīng)力幅,將次低應(yīng)力幅的循環(huán)數(shù)增加。

飛機(jī)的載荷譜一般都以飛機(jī)重心處載荷譜給出,針對(duì)損傷容限設(shè)計(jì)部位,需確定應(yīng)力譜,應(yīng)力譜可通過(guò)重心譜轉(zhuǎn)換得到。

(3) 初步確定損傷容限設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型

對(duì)于飛行安全結(jié)構(gòu),規(guī)范中定義了6種可檢查度:

① 飛行明顯可檢:飛行中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷的性質(zhì)和程度使空勤人員立即無(wú)誤的意識(shí)到結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生重要的損傷,并應(yīng)終止飛行任務(wù)。

② 地面明顯可檢:結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使地勤人員不需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)檢查即可迅速無(wú)誤的查出。

③ 巡回目視可檢:結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使檢查人員不必開(kāi)啟艙蓋和使用特殊工具,從地面對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行目視檢查即可查出。

④ 特殊目視可檢:結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度使檢查人員必須拆下艙蓋等,使用助視工具對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)目視檢測(cè)才可查出。

⑤ 場(chǎng)站或基地級(jí)可檢:結(jié)構(gòu)損傷的性質(zhì)和程度要求監(jiān)測(cè)人員采用一種或多種選定的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查,并允許卸下設(shè)備和可拆卸部位。

⑥ 使用中不可檢:受結(jié)構(gòu)損傷尺寸或可達(dá)性限制,檢查人員無(wú)法用上述方法查處結(jié)構(gòu)中的損傷。

設(shè)計(jì)初期選擇結(jié)構(gòu)類(lèi)別后,如損傷容限評(píng)定不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,可更改結(jié)構(gòu)類(lèi)型達(dá)到最佳結(jié)構(gòu)。

可檢查度與檢查間隔

(4) 確定初始缺陷尺寸

初始缺陷尺寸a0與保證結(jié)構(gòu)安全性和維修性的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。在損傷容限設(shè)計(jì)中作為裂紋擴(kuò)展計(jì)算起點(diǎn)的初始裂紋(缺陷)尺寸a0,應(yīng)是新機(jī)開(kāi)始使用時(shí)或服役中的飛機(jī)經(jīng)過(guò)檢修后再次投入使用時(shí),結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位處最小可能被超過(guò)的裂紋尺寸。初始裂紋長(zhǎng)短很大程度上影響計(jì)算壽命的長(zhǎng)短。而精確地估計(jì)初始裂紋尺寸又是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。

通用的無(wú)損檢測(cè)裂紋的方法有:液體著色、超聲波、渦流、磁粉、X光探傷。各種無(wú)損檢測(cè)裂紋技術(shù)所能發(fā)現(xiàn)的最小裂紋尺寸不同。同一種檢測(cè)手段檢測(cè)同一尺寸的裂紋,其檢出概率也不同。它與操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度,結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料,檢測(cè)操作的環(huán)境,裂紋位置、方向和尺寸都有影響。因此采用定常裂紋檢出概率(POD)來(lái)描述。POD的定義為:具有代表性的操作人員在某一定的環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)元件總體用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)到裂紋的概率。因此損傷容限設(shè)計(jì)時(shí),要針對(duì)所設(shè)計(jì)部位給出一定檢測(cè)概率和一定置信度的初始裂紋尺寸a0。

對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)別可采用不同的檢測(cè)概率和置信度。由于破損安全結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗斷裂能力和要求使用中可檢測(cè),因此在確定a0時(shí)置信度較低。這意味著破損安全結(jié)構(gòu)具有比緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)更小的初始裂紋尺寸假設(shè)。在損傷容限設(shè)計(jì)規(guī)范中,針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、裂紋型式和可檢查度,給出不同的初始裂紋尺寸a0。

結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度分析

含裂紋結(jié)構(gòu)在使用期中任一時(shí)刻所能達(dá)到的靜強(qiáng)度值稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。

結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度在使用過(guò)程中隨裂紋增長(zhǎng)而遞減,要求在整個(gè)使用壽命期間給出最低限度的剩余強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線,即大于最小剩余強(qiáng)度要求的最低值。結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度最低要求值是結(jié)構(gòu)類(lèi)型和可檢查度的函數(shù)。

因此各種可檢查度的破損安全結(jié)構(gòu)類(lèi)型其剩余強(qiáng)度最低要求值不同,可以根據(jù)特定飛機(jī)任務(wù)分析所得到的載荷譜數(shù)據(jù)來(lái)確定。

剩余強(qiáng)度的最低要求值可以由內(nèi)部元件載荷Psyu確定,Psyu表示飛機(jī)在規(guī)定檢查間隔內(nèi)可能遇到的最大載荷,Psyu根據(jù)載荷譜確定,飛機(jī)載荷譜制定是以代表飛機(jī)平均使用情況的基本載荷系數(shù)的超越數(shù)為基礎(chǔ)?？紤]到個(gè)別飛機(jī)在壽命期內(nèi)可能遇到的載荷超越數(shù)大于平均值,而剩余強(qiáng)度必須大于在規(guī)定檢查間隔內(nèi)預(yù)期的最大載荷,因此采用放大檢查間隔的方法,下表給出不同檢查度在確定剩余強(qiáng)度時(shí)檢查間隔的放大倍數(shù)M。M值的規(guī)定根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn),如運(yùn)輸機(jī),當(dāng)M=100時(shí),載荷約增至1.5倍。如下圖所示。

破損安全結(jié)構(gòu)中當(dāng)多途徑傳力結(jié)構(gòu)中某一元件破壞后,該元件上載荷應(yīng)由其它未破壞結(jié)構(gòu)承受,由于結(jié)構(gòu)破壞均是使用過(guò)程中突然破壞,因此應(yīng)考慮突然加載的動(dòng)荷系數(shù),規(guī)范規(guī)定取1.15。

1. 應(yīng)力強(qiáng)度因子判據(jù)

① 脆性斷裂

采用線彈性斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子判據(jù),即構(gòu)件的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K值達(dá)到該結(jié)構(gòu)材料的斷裂韌度KIC時(shí),裂紋便發(fā)生不穩(wěn)定快速擴(kuò)展,造成結(jié)構(gòu)突然斷裂。其斷裂判據(jù)為

當(dāng)平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí),采用平面應(yīng)力斷裂韌度KC。上述斷裂判據(jù)也可表示為

在給定σ時(shí)

在給定σ時(shí)

式中α為裂紋長(zhǎng)度;αc臨界裂紋長(zhǎng)度;σ為遠(yuǎn)離裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力;σc為臨界應(yīng)力,β為應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)。

② 表觀斷裂韌度

最下面曲線Ki表示緩慢裂紋擴(kuò)展起始,最上面曲線Kc示快速擴(kuò)展開(kāi)始。

平面應(yīng)力狀態(tài)斷裂剩余強(qiáng)度特性變化曲線

由于裂紋起始擴(kuò)展的載荷σi和失穩(wěn)開(kāi)始時(shí)裂紋長(zhǎng)度ac很難測(cè)得,工程上以一組容易實(shí)測(cè)的初始裂紋長(zhǎng)度ai和臨界應(yīng)力σc組成一曲線(上圖中的中間曲線Kapp),稱(chēng)為表觀臨界應(yīng)力強(qiáng)度曲線。其相應(yīng)的破壞判據(jù)為

式中Kapp稱(chēng)為表觀斷裂韌度。

2. 彈塑性斷裂準(zhǔn)則

當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)已大到不能忽略時(shí),采用上述線彈性斷裂判據(jù)已不合適,必須采用彈塑性斷裂力學(xué)方法。其斷裂判據(jù)為:

① 積分?jǐn)嗔褱?zhǔn)則

結(jié)構(gòu)在外載荷作用下裂紋尖端J積分大于或等于材料的J積分臨界值Jc(一般取開(kāi)裂點(diǎn)的J積分值)時(shí),其裂紋長(zhǎng)度為臨界裂紋長(zhǎng)度ac,或其載荷達(dá)到臨界應(yīng)力值,斷裂判據(jù)為

② 能量釋放率準(zhǔn)則

外力作用下結(jié)構(gòu)的能量釋放率G大于或等于材料的能量釋放率的臨界值GIC。能量釋放率準(zhǔn)則也適用于線彈性斷裂力學(xué)。能量釋放率臨界值一般取開(kāi)裂點(diǎn)時(shí)臨界值。

③ 裂紋張開(kāi)位移COD準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)在外載荷作用下裂紋尖端張開(kāi)位移δ大于或等于裂紋尖端張開(kāi)位移的臨界值δc。即

④ 阻力曲線法

該準(zhǔn)則認(rèn)為在破壞時(shí)用于擴(kuò)展裂紋的能量等于或超過(guò)材料的裂紋擴(kuò)展阻力。即能量釋放率G等于裂紋擴(kuò)展阻力R,同時(shí)能量釋放率G隨裂紋長(zhǎng)度a變化曲線的斜率等于裂紋擴(kuò)展阻力R和裂紋擴(kuò)展增量△a變化曲線的斜率,則斷裂準(zhǔn)則可表示為

3. 凈截面屈服判據(jù)

對(duì)于高韌性材料,構(gòu)件上應(yīng)力會(huì)高到使整個(gè)凈截面在斷裂發(fā)生前先產(chǎn)生屈服,最后導(dǎo)致構(gòu)件破壞。即

式中σ靜為凈截面應(yīng)力,Kc為材料屈服應(yīng)力。

4. Feddersen法

薄板剩余強(qiáng)度

該方法為一種工程計(jì)算方法,主要適用于有限寬度薄板。上圖表示剩余強(qiáng)度和裂紋長(zhǎng)度關(guān)系曲線,結(jié)構(gòu)破壞可分成三個(gè)區(qū)域,當(dāng)應(yīng)力大于和等于三分之二材料屈服應(yīng)力σys或裂紋長(zhǎng)度a大于或等于三分之二板寬W時(shí),采用凈截面破壞準(zhǔn)則,否則采用K判據(jù)。即:

式中σ靜為凈截面應(yīng)力,σ為遠(yuǎn)離裂紋尖端處應(yīng)力,Kc為材料平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)斷裂韌度。

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