飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中載荷安全系數(shù)的工程意義1)

程小全 張紀(jì)奎 酈正能

(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)工作之后開展，須根據(jù)生產(chǎn)單位、使用情況以及用戶條件等原始條件，按照不同部件的基本要求(如剛度要求、質(zhì)量要求、工藝性要求、經(jīng)濟(jì)性要求、使用維護(hù)要求等)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先須要明確結(jié)構(gòu)的外載荷，然后在總體設(shè)計(jì)給定的部件外形和空間布局的條件下，開展結(jié)構(gòu)形式選擇、結(jié)構(gòu)元件布置與設(shè)計(jì)等工作，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足總體提出的設(shè)計(jì)要求[1]。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中，外載荷一般包括載荷系數(shù)(工程中常稱過(guò)載)計(jì)算、飛機(jī)的典型飛行情況與對(duì)稱飛行包線、安全系數(shù)等內(nèi)容。將安全系數(shù)作為飛機(jī)外載荷內(nèi)容的一部分，很多同學(xué)對(duì)此可能會(huì)覺得奇怪，因?yàn)樵陲w機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先修課程材料力學(xué)里面，安全系數(shù)屬于材料強(qiáng)度的內(nèi)容，它雖然受外載荷計(jì)算精確度的影響，但更多的還是由性能分散、工藝偏差等材料的固有特性決定[2]。相對(duì)材料強(qiáng)度安全系數(shù)而言，與載荷相關(guān)的安全系數(shù)(本文稱為載荷安全系數(shù))則由外部施加的載荷來(lái)決定。

那么，載荷安全系數(shù)與材料強(qiáng)度安全系數(shù)間有何差別，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)什么影響，其量值大小又是如何確定的，這些對(duì)于大部分初學(xué)者來(lái)講都是難題。為此，本文將從兩種安全系數(shù)的概念、工程意義等方面進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)取值加以討論，以期對(duì)初學(xué)者有所幫助。

1 材料強(qiáng)度安全系數(shù)概念

材料力學(xué)教材里面將安全系數(shù)定義為極限應(yīng)力與許用應(yīng)力之比[2]。

極限應(yīng)力是材料發(fā)生失效時(shí)的應(yīng)力。強(qiáng)度極限和屈服應(yīng)力分別會(huì)使材料發(fā)生斷裂失效和塑性變形失效，因此，通常將它們統(tǒng)稱為極限應(yīng)力。許用應(yīng)力是材料強(qiáng)度在具體構(gòu)件中允許使用的極限值，它對(duì)應(yīng)于受載構(gòu)件中材料所能承受的最大工作應(yīng)力。許用應(yīng)力通常比極限應(yīng)力小，兩者之間的差值就是構(gòu)件材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備，因此，安全系數(shù)一般是大于1的。

影響材料強(qiáng)度安全系數(shù)的因素很多，其中既有與材料性能相關(guān)的性能分散性、工藝分散性、受載方式(拉伸、壓縮或剪切)等材料的固有特性，也包括工作應(yīng)力計(jì)算精度等外部條件因素，但前者起著決定性作用。

對(duì)于塑性材料，按屈服應(yīng)力考慮的安全系數(shù)通常取值為1.5～2.2；對(duì)于脆性材料，按強(qiáng)度極限考慮的安全系數(shù)取值為3.0～5.0，甚至更大。

2 結(jié)構(gòu)載荷安全系數(shù)概念與對(duì)比分析

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)的定義為極限載荷(工程中常稱設(shè)計(jì)載荷)與限制載荷(工程中常稱使用載荷)之比[1,3]。

限制載荷為飛機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中可能遇到的最大載荷。極限載荷為限制載荷乘以安全系數(shù)。

在材料強(qiáng)度安全系數(shù)中，先通過(guò)試驗(yàn)確定極限應(yīng)力這個(gè)較大值，然后通過(guò)安全系數(shù)求得許用應(yīng)力這個(gè)較小值；而在載荷安全系數(shù)中，則是先通過(guò)試驗(yàn)或理論計(jì)算給出限制載荷這個(gè)較小值，然后通過(guò)安全系數(shù)求得極限載荷這個(gè)較大值。

在限制載荷作用下，飛機(jī)各結(jié)構(gòu)元件的應(yīng)力不超過(guò)材料的比例極限，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)永久變形。在整個(gè)使用過(guò)程中，限制載荷可能不止一次作用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，因此，飛機(jī)遇到限制載荷后，結(jié)構(gòu)不能有殘余變形，否則就會(huì)影響下一次使用。

為了保證飛機(jī)的安全，飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)所用的載荷通常大于限制載荷，即對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度采用極限載荷法或破壞載荷法進(jìn)行設(shè)計(jì)，飛機(jī)各元件在該載荷作用下不應(yīng)發(fā)生破壞。

那么，為什么結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不采用材料強(qiáng)度安全系數(shù)而采用載荷安全系數(shù)呢？這是因?yàn)樵诓牧狭W(xué)中，材料的失效只有強(qiáng)度破壞，而結(jié)構(gòu)的失效則有強(qiáng)度破壞和剛度不滿足要求兩種情況，其中剛度失效(剛度不滿足要求)無(wú)法用材料強(qiáng)度值來(lái)判斷，即使很小的工作應(yīng)力結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生失穩(wěn)、變形量超標(biāo)、靜氣彈不滿足要求等失效現(xiàn)象。

載荷安全系數(shù)的工程意義是，保證結(jié)構(gòu)在正常使用情況下不發(fā)生殘余變形(工作應(yīng)力不超過(guò)材料的比例極限)，并滿足結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)要求；在意外情況下結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞(工作應(yīng)力不超過(guò)材料的許用應(yīng)力)并可操縱。

載荷安全系數(shù)的取值受飛機(jī)的外載荷、結(jié)構(gòu)尺寸、飛行速度、工藝質(zhì)量以及材料性能等因素的影響，又對(duì)結(jié)構(gòu)的重量、飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、操縱性、可靠性以及運(yùn)營(yíng)成本有著直接作用，可見，安全系數(shù)的正確取值既重要又困難。

3 載荷安全系數(shù)的確定方法

飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，早期載荷安全系數(shù)通常取值為1.5[4]，這是因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料是鋁合金，其強(qiáng)度極限與屈服強(qiáng)度(接近比例極限)之比約為1.5，正好對(duì)應(yīng)極限載荷與限制載荷之比。其他材料也參考鋁合金使用此值，使1.5成為工程中常用的安全系數(shù)值。

隨著新材料、新制造工藝以及結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)材料的性能分散性越來(lái)越小，新材料的性能越來(lái)越高，但分散性較大。而由于使用經(jīng)驗(yàn)的增加和統(tǒng)計(jì)方法的應(yīng)用，載荷安全系數(shù)的取值變得更有針對(duì)性。

一般規(guī)定有人駕駛飛機(jī)的安全系數(shù)為1.5，但由于設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)手段提高，材料品質(zhì)的改善，先進(jìn)工藝設(shè)備的使用，在一些結(jié)構(gòu)部位可以適當(dāng)降低安全系數(shù)值；對(duì)于某些特殊情況或部位，常以不同方式加大安全系數(shù)。可見，安全系數(shù)的確定不可一概而論，具有很大的經(jīng)驗(yàn)性。

復(fù)合材料現(xiàn)已取代鋁合金成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的最主要材料[5-6]。由于復(fù)合材料的各向異性、脆性、非均勻性、對(duì)環(huán)境和外來(lái)沖擊敏感性，以及特有的損傷萌生、擴(kuò)展與破壞機(jī)理等，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的確定方法與金屬結(jié)構(gòu)具有明顯差別。

工程中，復(fù)合材料通常以應(yīng)變(而不是應(yīng)力)來(lái)表征其強(qiáng)度，而且將材料強(qiáng)度參數(shù)“許用應(yīng)變”(A基準(zhǔn)值和B基準(zhǔn)值)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)“設(shè)計(jì)值”區(qū)分開來(lái)。圖1以多傳力路徑結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明復(fù)合材料設(shè)計(jì)值的確定方法[7]。

圖1 復(fù)合材料設(shè)計(jì)值的確定方法(圖中數(shù)據(jù)為示意值，非準(zhǔn)確值)

首先，利用一定數(shù)量(通常有效數(shù)據(jù)不少于5個(gè))的層合板試件測(cè)量其破壞應(yīng)變，然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到材料的B基準(zhǔn)值(95%的置信度下，90%的性能數(shù)值群的值不低于該值)--材料許用值。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)在實(shí)際服役過(guò)程中可能發(fā)生的低速?zèng)_擊損傷、缺口敏感性以及環(huán)境因素的影響，得到材料的設(shè)計(jì)值(極限設(shè)計(jì)應(yīng)變，對(duì)應(yīng)極限載荷)。

有時(shí)，由于安全系數(shù)考慮方法的不同，須將結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等因素的影響在設(shè)計(jì)值中加以考慮。經(jīng)過(guò)安全系數(shù)折減后得到的則是限制設(shè)計(jì)應(yīng)變(對(duì)應(yīng)限制載荷)。

文獻(xiàn)[8]利用統(tǒng)計(jì)分析方法得到飛機(jī)常用的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在可靠度為0.99時(shí)B基準(zhǔn)值的安全系數(shù)為1.1～1.2，可靠度為0.999時(shí)B基準(zhǔn)的安全系數(shù)為1.2～1.4。可見，復(fù)合材料的安全系數(shù)通常比金屬的要低一些。

4 結(jié)束語(yǔ)

安全系數(shù)的概念在材料力學(xué)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩門課程中的含義差別很大，前者更多偏向于材料的基本屬性，后者則偏向于外部的作用條件。材料力學(xué)中的安全系數(shù)對(duì)于同一種材料基本是常值(同一取值范圍)，而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中即使是同一種材料，不同部位的安全系數(shù)取值也可能不同。在課程學(xué)習(xí)中，深刻理解飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容的工程性，對(duì)于理解載荷安全系數(shù)的概念非常重要。

載荷安全系數(shù)的工程意義非常明確，但要取得合適的安全系數(shù)值卻并不容易。了解復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值及其安全系數(shù)的確定方法，對(duì)于安全系數(shù)概念的理解會(huì)有較大的幫助。