高機動無人機機體結構疲勞壽命分析方法研究

邸洪亮，陳亮

航空工業沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽 110035

近年來，無人機設計技術的飛速發展，使得人們對無人機結構設計的要求不斷提高。無人作戰飛機同民用飛機、殲擊機等有人機相比，在飛機的使用要求、任務使命等方面都有所不同，重心處法向過載可達20。有人戰斗機需要用于飛行員的訓練和試飛，因此飛行小時壽命要力求最高。無人作戰飛機主要用于執行特定任務，故其設計使用壽命相比有人戰斗機較短[1]。

為提高裝備持久戰斗力和良好經濟性，應根據不同裝備的用途及需求選取可靠的疲勞分析方法，對所設計的結構進行疲勞壽命分析和評定，使其滿足使用條件下要求的高可靠度壽命指標，并力求延長使用壽命[2]。高機動無人機具有過載大、機動多變的特性，其過載可以遠超現代有人戰斗機的最大過載水平，應根據無人機的用途及需求選取可靠的疲勞分析方法[3]。

對于有人戰斗機的疲勞、耐久性及損傷容限分析方法，國內已經有了較為成熟的結構強度設計規范；對于小型無人機機體壽命分析，國內院校也開展了相關研究，并形成了一套無人機強度和剛度規范，但規范僅適用于偵察型小型無人機。對于高機動無人機的結構疲勞壽命分析方法，目前國內并沒有相關的結構強度設計規范。美國和歐洲對于無人機的結構強度設計，也提出了通過降低安全因數（量綱一），提高局部結構的應力水平，以達到降低無人機結構重量（質量）、提高使用性能的目的。本文主要研究了有人戰斗機與高機動無人機在不同受載情況下的結構破壞特點，給出了滿足高機動無人機使用條件下的結構壽命分析方法，可用于高機動無人機的結構強度設計。

1 飛機結構疲勞壽命分析方法

1.1 疲勞壽命分析方法概述

飛機結構的疲勞破壞是指飛機結構的關鍵部位發生了疲勞損傷以致破壞。飛機結構的關鍵部位的疲勞壽命就代表飛機結構的疲勞壽命。常用的疲勞裂紋形成壽命的預測方法很多，按疲勞裂紋形成壽命預測的基本假定和控制參數大致分為名義應力法、應力嚴重系數法、局部應力—應變法等。各種疲勞分析方法的基本過程都是首先通過應力分析，將結構所受的載荷譜轉變為要分析細節部位的應力譜。然后利用S—N曲線（局部應力—應變法用ε—N曲線）和等壽命圖（曲線）計算出各級交變載荷產生的損傷，最后選用合適的累積損傷理論（至今最常用的仍是Miner 線性累積損傷理論）和保證一定可靠度要求的分散系數確定結構的疲勞壽命[4-6]。

1.2 名義應力法

名義應力法是最早的也是最通用的一種簡單疲勞壽命估算方法，主要用于結構打樣設計階段的快速疲勞估算。基本步驟為:（1）由載荷譜和關鍵部位細節應力分析獲得關鍵部位的名義應力譜；（2）以與所分析的關鍵部位應力集中系數Kt相同的材料S—N曲線為基礎，建立結構關鍵部位的S—N曲線；（3）選擇等壽命曲線形式；（4）采用線性累積損傷理論估算結構的中值壽命；（5）中值壽命除以分散系數，評定結構的安全壽命。

1.3 應力嚴重系數(SSF)法

應力嚴重系數法是用于結構連接件壽命估算的一種工程計算方法。它通過有限元細節分析，得到釘孔處的旁路載荷、傳遞載荷，進而求出孔邊的應力嚴重系數（當量應力集中系數），再利用簡單缺口試件的S—N曲線來估算結構連接件的壽命。它屬于名義應力法范疇，原則上也適用于缺口元件。

應力嚴重系數法的基本步驟如下:（1）建立關鍵連接部位的應力譜；（2）計算關鍵連接部位的應力嚴重系數（SSF）；（3）獲取對應于關鍵部位應力嚴重系數和應力譜的S—N曲線；（4）采用線性累積損傷理論估算中值疲勞壽命；（5）中值壽命除以分散系數，評定結構的安全壽命。

1.4 局部應力—應變法

局部應力—應變法是以等應變-等損傷假設和線性累積損傷理論為依據，以材料的應變疲勞特性曲線為基礎，直接考慮了結構細節危險部位局部材料進入塑性變形的影響，適用于載荷譜對應的應力水平較高，結構局部應力達到屈服應力情況下的疲勞分析與壽命估算方法，其基本步驟為:（1）原始數據的準備，包括載荷譜、材料的循環應力—應變曲線、應變—疲勞曲線和危險部位的疲勞缺口系數；（2）通過缺口彈塑性分析，將作用于結構細節的名義應力譜轉換為局部應力—應變歷程；（3）進行“雨流”計數統計處理，獲得局部應力—應變譜所有全循環和半循環；（4）計算當量應變，將所有全循環或半循環的真實應變范圍轉換為光滑試件對稱循環的當量應變范圍；（5）通過累積損傷理論計算中值壽命；（6）中值壽命除以分散系數，評定安全壽命。

2 無人作戰飛機與有人戰斗機的差別研究

無人作戰飛機結構強度與有人作戰飛機結構強度相比，既有相同之處，又有許多差別，為有針對性地開展高機動無人機結構疲勞壽命研究，對無人機作戰飛機相對于有人戰斗機的特點與差別進行了分析比較，以更好地利用和借鑒有人作戰飛機結構疲勞壽命分析方法。無人作戰飛機在使用用途、方法、結構特點與發展規劃等方面均與有人作戰飛機存在較大差別，具體體現在以下幾點。

（1）結構重量可有效降低

在有人作戰飛機上，與飛行員相關的機載系統占據了飛機相當部分的重量。對于無人作戰飛機則不需要這些系統和裝備，或可以適當地進行減免。這樣，飛機結構就會省出很多空間，結構的布局和機載設備的安排就可以重新考慮，更有利于飛機的總體和結構設計。

（2）機動性可大幅度提高

由于人的生理原因，新型戰斗機的過載一般限制為10，而對于無人作戰飛機，其過載可達20或更高，所以，無人作戰飛機結構在設計時可以根據需要放寬一些限制，包括速度、高度、過載、航時等，機動性能有較大幅度的提高。

（3）使用與維護模式發生較大變化

由于無人飛機在使用訓練上的差別，使得無人機可以較長時間保存在倉庫里面，能夠有效減少飛機的使用維護費用。但同時對長時間儲存后快速出動提出了較高的要求。

（4）飛機結構安全可靠性可適當降低

由于無人機的失效不會導致人員傷亡，同時無人機的全壽命周期的費用相對較少，因此，在保證可接受的任務執行成功率的基礎上，可以適當降低飛機結構的安全性，這點可以從無人機結構的安全系數取值較低看出，因此有必要對無人機結構安全系數取值做進一步研究[7-9]。

（5）包線防護

對于要飛越人口密集區域時，飛行控制系統必須控制飛機達到與有人戰斗機同樣的安全水平。

3 高機動無人機機體結構疲勞試驗壽命比較

3.1 疲勞試驗

為研究高機動無人機不同應力水平對結構壽命的影響，建立無人機結構疲勞壽命分析方法，設計了鋁合金和鈦合金兩種典型結構試驗件，試驗件如圖1所示，每種試驗件分為4組，每組10件，分別按4組不同應力水平進行疲勞試驗。表1 給出了試驗件清單，無人作戰飛機載荷譜示意圖如圖2所示[10]。

圖1 試驗件實物圖Fig.1 Physical drawing of test piece

圖2 高機動無人機疲勞試驗載荷譜示意圖Fig.2 Sketch map of fatigue test load spectrum of high maneuvering UAV

表1 試驗應力水平Table 1 Test stress level

試驗結束后，借助顯微相機，根據試驗斷口圖像，如圖3所示，以標線痕跡為依據，計算得到不同裂紋長度以及斷裂時對應的飛行小時，在雙對數坐標系下進行擬合求解得到1mm 裂紋出現時對應的飛行小時。

圖3 試驗件斷口Fig.3 Test part fracture

3.2 疲勞壽命分析與試驗結果比較

對真實的疲勞損傷累積的復雜過程按反復塑性的裂紋形成機理進行簡化。由單個的第i循環引起的損傷di為

累積損傷DB等于m個循環損傷之和

根據Miner損傷累積法則，當總的累積損傷達到DB＝1時，就達到了中值裂紋形成壽命。

圖4、圖5 列舉了鈦合金和鋁合金在不同應力情況下，分別采用名義應力法、局部應力—應變法與試驗結果的壽命比較。從比較結果可以看出，在所有工況下，采用局部應力-應變法與試驗結果的吻合度較好。

圖4 鈦合金不同應力壽命對比曲線Fig.4 Comparison curves between different stess life of titanium alloys

圖5 鋁合金不同應力壽命對比曲線Fig.5 Comparison curves between different stess life of aluminum alloy

表2列舉了某型有人戰斗機其中一個疲勞關鍵部位的耐久性試驗結果。表3列舉了高機動無人機鋁合金和鈦合金不同應力裂紋擴展壽命。

表2 有人戰斗機結構裂紋擴展壽命比例Table 2 Crack growth life ratio of manned fighter aircraft

表3 高機動無人機結構裂紋擴展壽命比例Table 3 Crack propagation life ratio of high strain unmanned aerial vehicle

根據上述試驗結果對比可以看出，由于高機動無人機使用過載明顯高于有人戰斗機，其結構的裂紋擴展壽命所占總壽命比例明顯低于有人戰斗機。高機動無人機裂紋擴展壽命隨著應力水平降低，裂紋擴展壽命逐漸降低。

通過對有人戰斗機與高機動無人機結構失效模式對比，與有人戰斗機較長的裂紋擴展壽命相比，高機動無人機結構表現為更短的裂紋擴展壽命，出現微小裂紋后導致結構產生破壞的概率將遠遠高于有人戰斗機。高機動無人機結構壽命指標較低，其破壞模式主要以小裂紋的疲勞破壞為主，該種破壞屬于低周疲勞破壞，按疲勞理論，應采取局部應力—應變分析方法進行分析。

4 結束語

本文在有人戰斗機結構疲勞壽命分析方法的基礎上，從無人機受載情況和載荷特點出發，結合高機動無人機使用環境和結構破壞形式，通過不同疲勞分析方法與試驗值的比較，采用局部應力-應變分析法更能夠提高疲勞壽命分析的精度，可用于高機動無人機機體結構的使用壽命分析。