談談飛機結構的抗疲勞細節設計

潘龍社

（中航工業飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089）

一、前言

飛機結構壽命的長短主要取決于重要結構細節的抗疲勞開裂能力。現代飛機結構設計基礎中的疲勞、損傷容限、耐久性設計三者之間雖然在實際原理、設計方法和設計目標有本質的不同；但就提高結構細節的抗疲勞能力而言，三者的要求基本上是一致的。這是因為飛機的使用統計和研究表明，因疲勞開裂而引起的結構破壞的概率很高，飛機結構災難性的疲勞破壞大多數就是由于重要受力構件或連接桿存在著高的應力集中引起的。

二、影響結構細節的抗疲勞性的因素

影響飛機結構細節的抗疲勞性的因素主要依賴如下幾個主要因素：

1 結構材料本質。不同材料其內部的化學成分、金相組織、纖維方向、內部缺陷等不一樣，其疲勞性、斷裂性能和抗腐蝕性能也并不相同。

2 結構零件幾何形狀及表面狀態。包括尺寸效應、缺口效應和零件的表面光潔度等。

3 結構的連接形式、布局及傳力路線的設計。

4 結構零件的表面熱處理及內部的殘余應力。

5 零構件的制造工藝方法。

6 結構零部件的工作條件。對于在特定載荷環境中工作的零構件，由于載荷、腐蝕介質、濕度和溫度的聯合和交替，會導致零構件提前發生疲勞損傷并加速損傷的擴展。

三、結構的抗疲勞細節設計方法和實例

依據影響結構細節的抗疲勞性的因素全面權衡，采取恰當的、合理的設計方案來提高零構件的抗疲勞性。

1 選材時應綜合權衡

疲勞開裂最敏感的局部區域或元件所采用的材料很重要，盡量選擇抗疲勞性能好的材料，材料應力水平限制在容許的范圍之內。選材時應遵循三個原則：對材料性能、載荷、環境條件和結構重量、經濟性作綜合權衡；根據設計要求，按靜強度、疲勞容限等要求即區別又協調的選材；考慮材料的使用經驗和繼承性。如飛機很多關鍵重要零件如機身與機翼對接件、發動機的接頭等都用鍛件制造是由于鍛件承載能力大，抗疲勞能力好；飛機中央翼上壁板選用的是LC4鋁合金材料，而下壁板則選用的是LY12CZYO鋁合金材料，原因是LY12CZYO鋁合金材料的疲勞性能優于LC4，而LC4由于靜強度較高疲勞極限較低，缺口敏感性較大，應力腐蝕傾向較高，所以一般不選其為下壁板蒙皮。

2 改進結構減緩局部應力，降低應力集中

應力集中是產生疲勞裂紋的主要因素，應精心設計減少應力集中、降低局部應力，可顯著提高零構件壽命，甚至高達10～100倍。

1 ）設計中應盡量避免或減緩零構件形狀的突變，零構件截面大小、形狀變化緩和可使其力流線的拐折得到緩和，降低應力集中系數。如軸類零件截面變化處和壁板厚度改變處應有足夠的過渡區，增大圓角半徑，能夠使應力集中系數降低，達到減緩局部應力的目的。過渡圓弧之半徑R為厚度變化值的10倍以上，一般不會引起疲勞問題。

2 ）結構上盡量少開口，小開口，開口位置盡可能選在低應力處；必須開口時，要加開口部位的結構，受拉表面最好不開口。減少孔開口附近的局部應力的有效方法是在孔口邊緣連接上一個加強圓環，孔洞的應力集中隨著加強圓環剛度的增加而減輕。加強環與圓孔的連接最有效的方式是焊接或膠接，鉚接或螺接容易導致孔邊更高的應力集中。

3 ）鉚釘孔、螺栓孔等都是產生應力集中的部位，通常采用局部加強，如適當加大厚度的方法來減少局部應力。

4 ）減少零構件上因多個應力集中相互影響可能引起的復合應力集中，使這些細節相隔一定的距離并處于恰當的位置，以降低其相互影響。

3 結構布局和傳力路線的恰當設計

1 ）結構布局保持合理性：合理的結構細節布局，主傳力構件就會承受并轉遞主要載荷，從構件承受并轉遞次要載荷或很小的載荷，各個零構件適中的保持自己的載荷能力，極大提高本零構件系統的抗疲勞性。

2 ）主傳力通道保持完整：主傳力構件一般是疲勞危險件，盡量保證其完整性；避免在其上連接次要構件以及開孔挖缺口，受力系統在設計時盡可能把傳力路線設計得最短。

4 消除偏心傳載荷強迫裝配

偏心傳載和強迫裝配會引起附加應力，降低零構件的抗疲勞性。盡量采用對稱結構設計；為減少連接部位由于存在的設計間隙或工藝間隙的強迫裝配應力，可采用適當的補償件。

5 連接接頭和連接結構的抗疲勞設計

飛機的疲勞破壞經常發生在接頭和鏈接件的連接處，所以連接件的抗疲勞“細節設計”很重要。

（1）連接接頭盡量避免偏心

螺栓接頭：其連接一般有四種連接形式：單剪連接、雙剪連接、單嵌連接和雙嵌連接。試驗表明：雙剪接頭比單剪好，而雙嵌連接比單嵌好，其中以雙嵌式魚尾形連接最好，可使螺栓受載比較均勻，從而提高疲勞壽命。

耳片和銷釘的連接接頭：耳片寬度W/耳片孔徑D≤1.7；耳片的頸縮比S/W應盡量接近1.0。提高耳片疲勞強度的有效措施是利用干涉配合，在耳孔中使用較高過盈的襯套以方便維修拆裝；不推薦液氮冷縮襯套，因為其過盈量太小，在高載時襯套和耳片之間會產生微動損傷，使壽命大大降低。

（2）緊固件連接設計

緊固件分為螺栓和鉚釘兩大類。螺栓用來傳遞較大載荷，主要用于接頭設計或者重要、關鍵結構鏈接的設計。對于較厚的連結結構、需要拆卸的部位、層數較多（3層以上）的連接，應選擇螺栓連接。鉚釘主要用于其它一般薄壁結構不可拆卸的連接。

1 ）緊固件鏈接的細節連接尺寸要求：（一般）緊固件的最小邊距≥2倍緊固件直徑，對非疲勞危險部位，最小邊緣減至緊固件直徑的1.5倍，而較重要的連接應不小于2倍緊固件直徑；保持緊固件間距為3.5～4倍緊固件直徑，過小可能使孔邊的應力集中疊加，過大，則緊固件數量減少，影響傳載能力。

2 ）緊固件選用基本原則：

螺栓的選用：螺栓最常用材料是30CRMNSIA，直徑一般≥M5；盡可能地將螺栓受力設計為受剪或者拉剪復合以提高螺栓的疲勞強度。受拉螺栓的裝配一般選擇間隙配合，受剪和拉剪復合螺栓選擇干涉配合或者小間隙配合。螺栓孔應進行強化處理，以保證疲勞壽命的要求。盡可能的提高所有受剪螺栓的配合精度，以保證其受力均勻。對于M8以上和關鍵重要螺栓，安裝時要有預緊力矩，適當預緊力會提高螺栓疲勞強度。

鉚釘的應用：飛機結構設計中，鉚釘最常用材料是LY10,直徑一般不小于4mm,不大于6mm。

由于鉚釘的承剪能力強而受拉能力弱，一般不考慮受拉，組合件設計布置時盡可能地將鉚釘受力設計為受剪或者拉剪復合（拉力較小），鉚釘剪切破壞載荷為光桿面積剪切破壞載荷，鉚釘連接盡量使用干涉配合以提高疲勞強度；當緊固件載荷主要為拉伸載荷時，除非載荷較小，否則應考慮改為螺栓連接。

只要條件允許采用凸頭鉚釘，就不要采用埋頭鉚釘。結構外表面選用埋頭鉚釘主要是氣動和外形的要求，應注意鉚釘頭處結構件上的锪窩深度，埋頭窩的锪窩深度不應超過板厚的2/3，至少應保證板厚與锪窩深度之差不小于0.5mm。

在邊距允許的情況下，避免采用單排列，盡可能采用雙排或三排排列；而平行排列與交錯排列相比，由于平行排列時力的流水線較好，因而疲勞壽命較高。

3 ）緊固件孔制作和連接方法

緊固件孔推薦使用鉆鉸后加冷擠壓制孔，這是因為開孔冷擠壓在孔邊產生有利的殘余壓應力能大大降低在拉伸載荷下的孔邊平均應力；但要注意冷擠壓后鉸孔的鉸削量不要太大以免消除有利的殘余應力。適當的干涉配合可以延長孔邊的疲勞壽命；名義干涉量應保持在2%左右。

4 ）緊固件孔構件裝配：

緊固件連接件應在制孔（配鉆）后立即進行，盡量保證不分開兩個被連接件，以避免錯位和偏心。盡量避免混合使用鉚釘和螺栓。這是由于鉚釘配合較緊，在鉚釘變形甚至消除了螺栓與螺栓孔之間的間隙后，螺栓才開始承受載荷，容易致使鉚釘超載而導致提前破壞。

5 ）搭接件的設計要求

搭接件的作用是傳遞載荷，設計應盡量縮短其搭接長度，不要使用一長串的緊固件，以免兩端緊固件傳遞載荷過大而提前屈服。一般的平板搭接采用三排，做多四排緊固件；第一排緊固件附近容易發生疲勞破壞，可采用變厚度搭接板或薄的輔助搭接板，以減輕第一排緊固件的負擔。

6 選擇合理的工藝方法

工藝方法選擇恰當與否不僅關系到零構件能否經濟且方便的制造和裝配，還會明顯地影響它們的疲勞、斷裂性能。如提高零件的表面光潔度、對零件表面進行表面強化、不同的熱處理工藝、選擇合理的精加工的切削速度、切削量和加工工序、選擇合理的裝配順序和恰當的工藝補償等都能影響飛機結構的抗疲勞性能。

結語

飛機結構的抗疲勞細節設計非常重要。對于從事結構設計研究的技術人員來說，在平時結構實際設計過程中，細節設計稍加改進常可以使受力構件或鏈接件壽命大大增加；高度重視結構細節的抗疲勞性是一項必要的工作，是實現飛機結構長壽命、高可靠性、低成本維修的重要保證。

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