飛機結構的耐久性與損傷容限設計

王子龍 邢萌

摘? 要：今天，隨著技術不斷創新，航空技術日新月異，飛機結構設計更加多樣化。航空是軍民運輸的重要手段。隨著航空技術的迅速發展，其結構設計從靜態力從驅動力轉變為斷裂力。目前，以耐用度和耐損傷性為基礎的飛機結構設計是基本設計方法。在飛機結構設計中，耐久性和耐受性必須相互協調、相輔相成，以促進提高飛機結構的性能、經濟性和安全性。本文將分析結構耐久性和飛機損傷容限設計的具體要素，并對設計要素進行深入探討和思考。

關鍵詞：飛機結構設計;耐久性;損傷容限

前言

目前，通過持續的實驗分析和積累以往的數據，已經制定了一種新的結構性的飛機承受能力和可持續性概念，國際航空公司也根據具體數據分析制定了標準和準則。損傷容差分析和全壽命分析的設計方法繼承了以前的設計方法。通過不斷的發展和實踐，我們現在有了一個全面的設計系統，具有技術傳播和發展的不可估量的前景。

一、耐久性和損傷容限設計概論

飛機結構的耐久性是飛機結構穩定性、安全性和可靠性的表現，以及飛機在飛行期間抵抗疲勞、裂紋、腐蝕和意外損傷的能力。一般而言，如果飛機在正常飛行期間性能和功能下降或受損，這意味著飛機的功能損傷包括結構部件明顯缺乏剛性、可控制范圍縮小、裝卸率降低、油箱漏油等。飛機壽命的另一個重要意義是其經濟壽命。經濟壽命不同于安全壽命，即所有功能在飛機有效運行期間保持良好狀態，沒有故障或性能下降。飛機的制造不一定是完美的，但太多的缺陷可能會影響飛機的性能和運行。適當的損傷容限可以幫助飛機減少因內部故障對性能造成的損傷，但在載荷力的持續作用下，故障和損傷可能會逐漸擴大和擴大到超出損傷容限范圍，造成嚴重損傷，甚至影響飛機的使用因此，有必要定期檢查飛機，并在損傷容限范圍內修復飛機的結構缺陷，以確保飛機的壽命不會受到損傷。總之，損傷容限是保持飛機結構穩定的損傷安全限度，現已成為飛機設計建設的主要思路。

二、耐久性設計與損傷容限設計之間的關系

斷裂力學是飛機結構耐久性和耐損傷性設計的基本理論，設計以飛機設計技術為基礎，工程以無損檢測技術為基礎，質量控制和過程監控是基本實踐。但是，應當指出，在設計飛機結構時，飛機必須完全符合強度和剛度設計標準，提高飛機的疲勞強度，延長經濟壽命，降低維修費用。可持續設計是優化設備結構、延長其使用壽命和保持良好經濟維護的重要手段。損傷容限設計是飛機結構安全可靠的重要保證。損傷容限也可以理解為飛機的安全限度。如果損傷和缺陷超出規定的公差范圍，將不可避免地對飛機造成嚴重的功能損傷。飛機結構部件的設計分為兩部分。一個是損傷容忍的一個關鍵因素，即在飛機運行中可以發揮安全作用的某些因素。整個飛機結構包括大約200個安全部件。另一類是影響飛機經濟壽命的可持續性要素。元素的數量取決于具體的經濟生活標準，其中大多數達到數千個或更多。

三、耐久性設計

可持續設計以斷裂力學為基礎，疲勞壽命的確定得到改進，以提高設計的可靠性。在可持續性設計中，車身結構的經濟壽命旨在超過使用壽命，目的是最大限度地減少車身結構或材料的退化影響，并避免因過度維修而造成的胎面減壓和運轉靈敏度等問題。飛機結構的設計和驗證是通過飛機載荷和環境影響下的耐久性測試來實現的，從而滿足了結構壽命和可靠性方面的設計要求。

可持續設計的細節包括：選擇耐用材料、控制應力等級、優化結構細節設計、選擇疲勞強度技術、選擇保存措施以及選擇耐熱措施。此外，還必須確保質量控制管理。可持續設計必須取代安全壽命設計，補充損傷容限設計，能夠可靠地確定飛機的使用壽命，并確保飛機在使用壽命結束前的高度安全。

四、損傷容限設計

1.飛機結構主要損傷源

（1）在普通空氣或環境的共同作用下，疲勞損傷、疲勞芯、短裂紋和由重復載荷引起的長裂紋可能導致殘馀強度降低，最終造成結構損傷。（2）環境損傷環境可引起三個問題：一般腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞，均屬于疲勞類別。它是由腐蝕性物質和腐蝕性環境之間的化學或電化學作用引起的，與機械系統沒有直接聯系。銷毀過程包括在腐蝕開始時形成腐蝕坑，逐步擴大聚合，以減少結構的有效部分。最后，靜態強度或函數不符合要求，導致失敗。應力腐蝕產生于材料支撐系統-靜態約束-腐蝕。受芯腐蝕并形成裂紋后，裂紋在靜載荷作用下隨著時間的推移而擴展，最終導致裂紋擴展不穩定，結構失效。（3）意外損傷：攻擊飛機結構相對部分的外部物體直接或間接損傷受影響部分，降低殘馀物強度，造成結構損傷。在制造和維修過程中因刀傷、刀痕、凹痕和擦傷、操作或維修錯誤等造成的意外損傷。

2.損傷容限設計要素

（1）臨界裂紋尺寸或殘馀力包括兩個方面：殘馀力載荷下結構允許的最大損傷，即臨界裂紋尺寸;結構在指定損傷尺寸下可承受的殘馀強度。這兩項任務都是通過對殘馀物強度的分析完成的。（2）裂紋在結構部分載荷譜和環境譜的影響下擴展，裂紋擴展期從可檢測裂紋尺寸（初始裂紋尺寸）到臨界裂紋尺寸不等。這項工作是通過深入的裂縫分析進行的。影響裂紋擴展壽命的主要因素是：載荷譜和材料強度結構類型。其中，材料的疲勞延伸強度主要由疲勞速度參數決定，該參數取決于材料類型、材料厚度和環境，而結構類型對裂紋的影響則由尖端應力強度系數決定。（3）損傷檢查可利用規定的檢測和維修手段進行損傷檢測和評估，以確保迅速檢測、預防或修復由疲勞、環境或意外損傷造成的損傷，并在規定的服務期內保持飛機的適航性。

結束語

綜上所述，隨著社會經濟的不斷發展和進步，相信航空航天技術的發展將逐步完善，飛機結構設計方法將更加適合人類使用。飛機結構的耐受性和耐久性的分析和設計方法大大提高了飛機的安全性和可靠性，并廣泛用于航空領域，為航運業作出了顯著貢獻。

參考文獻：

[1]李珊山，邢靈格，丁惠梁，段世慧.飛機結構初步設計優化中的損傷容限優化方法研究[J].航空工程進展，2011，01：78-83.