民機疲勞試驗載荷譜簡化研究與驗證

田文朋，宋鵬飛，夏峰，樊俊鈴

(中國飛機強度研究所全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西西安 710065)

0 前言

民用飛機在投入使用之前，根據適航條例的要求，必須通過適航符合性驗證試驗，以及試驗支持的分析來表明飛機的設計、制造和使用維護等滿足適航條例要求。飛機結構適航符合性驗證試驗規定的全機疲勞及損傷容限試驗項目，還將為驗證疲勞分析方法與飛機定壽提供重要支持。我國目前完成或進行的很多全機疲勞試驗整個周期長達8～10年，過長的疲勞試驗已經影響到適航取證和運營使用以及我國民機技術和產業的發展。

疲勞試驗加速研究重要且緊迫。各裝備研制中涌現的主要加速技術有超聲振動法、載荷譜簡化、嚴重譜法、幅值增強、載荷折算以及提高加載頻率等。超聲振動疲勞試驗方法是在特殊載荷環境下，應用于局部結構或零件的高頻小載荷超高周疲勞方法。載荷譜簡化的方向之一是刪除小載荷， SCHIJVE等研究表明：載荷對結構的損傷除了取決于載荷應力水平，還與試驗件材料和結構等相關，因此載荷譜刪除需基于疲勞分散性和概率疲勞確定。目前嚴重譜法只有美國軍機疲勞試驗的應用個例，但不同軍機應用中嚴重系數亦不相同，嚴重系數和取值規則尚無定論。車輛工業中的幅值增強加速不適用于飛機行業。載荷等效折算方法在不同的試驗對象上都證明了該技術方法的有效性，以及疲勞性能分散性差異決定的該方法并不統一。

民機多處于中長壽命區間，本文作者將適用此區間的細節疲勞額定值(DFR)法和線性損傷累積理論相結合，對疲勞試驗載荷譜等效折算簡化，并利用試驗件進行驗證。

1 疲勞試驗載荷譜等損傷折算

民機結構的細節處應力水平相對較低，可忽略塑性影響，采用線性累積損傷Miner理論進行疲勞損傷分析。

等效疲勞載荷譜下的損傷為

(1)

由線性累積損傷理論得：

(2)

式中：f為第級載荷下的破壞循環數;為循環數。

采用DFR法計算結構疲勞壽命。假設結構的疲勞壽命服從雙參數Weibell分布，在中長壽命區，等壽命曲線(-)為直線，并且與橫坐標軸交于強度極限，不同可靠度(s)的-曲線形狀相似。

根據-曲線(如圖1所示)將原始名義應力轉化為=0.53下的名義應力為

圖1 等壽命曲線

(3)

建立(,,,)的-曲線為

(4)

式中:為標準-曲線斜率。

聯立式(3)與式(4)，可得第級載荷作用下的疲勞壽命為

(5)

同理，轉化為=0.06下的名義應力，第級載荷作用下的疲勞壽命′為

(6)

則兩種名義應力下塊譜第級應力造成的損傷分別為

(7)

′=·

(8)

應用等效損傷理論進行當量應力循環次數折算，折算為平均應力-應力幅的當量次數為

(9)

折算為一級應力譜的當量次數為

(10)

以上內容即為疲勞試驗載荷譜的等損傷折算方法，可將原譜折算為不同級塊譜。

在對載荷譜等損傷簡化以實現試驗加速時，為了保證加速效果和疲勞壽命真實性，基于損傷比確定需要折算的載荷水平。載荷譜折算前，在研究的基礎上，結合工程經驗積累，確定一合適的損傷比門限值，在某塊譜內，將某級載荷造成的損傷，與由最大峰、谷值構成的最大載荷循環的損傷求比值，若比值小于則向臨近級折算，否則保留。

2 結構疲勞壽命計算

大量試驗數據統計分析表明，一般的結構疲勞壽命服從雙參數威布爾分布或對數正態分布。常取服從雙參數威布爾分布計算結構疲勞壽命，結構疲勞壽命的概率分布函數為

()=1-e-()

(11)

(12)

式中:為試驗件數。

可靠度95%、置信度95%的試驗壽命9595為

(13)

式中:為試件系數，對于小試件取1.3，對于真實試件取1。

可靠度系數：

(14)

式中:為可靠度，對于鋁合金，對應95%可靠度的取2.1。

可靠度系數：

(15)

式中:為包含一個細節的試件置信系數，當=4時，=1.32；為結構的細節數。

根據DFR的定義：

(16)

(17)

代入式(5)可求得各級載荷作用下的疲勞壽命，根據Miner理論可進一步求得隨機譜作用下的損傷和壽命。

3 試驗驗證

選擇螺接、鉚接兩種連接形式的試驗件對上述折算方法進行試驗驗證。試驗件為LY12-CZ主材料的板材，如圖2—圖3所示。其中，螺栓材料為30CrMnSi，鉚接為硬鋁鉚釘。依據經驗公式和JNS手冊，計算求得兩種試驗件的DFR分別為螺接試件128.69 MPa和鉚接試件87.39 MPa。

圖2 螺接形式試驗件

圖3 鉚接形式試驗件

采用某民機機翼4～5肋2～3長桁間下壁板蒙皮的全機疲勞試驗3 000起落應力譜作為原譜，共616 816個峰谷點(合308 408循環)。譜中3個最大應力為：1次132.8 MPa、1次125.8 MPa、16次117.9 MPa。采用雨流計數法轉化為多級塊譜，選取應力水平較大的4級和1次地空地循環，將其余塊譜向臨近的載荷級上等效折算，得到折算后的五級塊譜見表1。然后再等損傷折算得到三級塊譜，見表2。

表1 試驗件五級應力譜

表2 試驗件三級應力譜

五級譜和三級譜的疲勞試驗，兩種試驗件各做了5件。而目前試驗機對于該試驗件的最大加載頻率約10 Hz，考慮到每循環時長及95%可靠度、95%置信度()下需做3倍壽命的試驗，即便試驗設備連續24 h運行，5個試驗件的原譜壽命試驗近5年，客觀不允許。故將五/三級譜疲勞試驗的下的疲勞壽命統計分析結果與原譜理論壽命值對比，見表3。

由表3可知，五級譜和三級譜的循環次數與原譜循環次數比分別為0.015 9和0.012 2，即載荷譜等效折算大大減少了試驗循環次數。螺接試驗件和鉚接試驗件的五級塊譜試驗壽命與原譜理論壽命比值分別為0.73和1.44，螺接試驗件和鉚接試驗件的三級塊譜試驗壽命與原譜理論壽命比值分別為0.62和0.81，結果均在工程可接受的0.5～2范圍內。

表3 疲勞壽命值對比

4 總結

基于細節疲勞額定值法和線性損傷累積理論建立載荷譜等損傷折算方法，以損傷比門限值為折算依據，對疲勞試驗載荷譜等損傷折算簡化，以加速民機疲勞試驗。采用螺接和鉚接的兩種試驗件進行試驗驗證，將原譜折算簡化為五級譜和三級譜，折算后試驗循環次數減少了約98%，且疲勞壽命結果符合要求，證明了文中所建立的疲勞試驗載荷譜折算方法的正確性和有效性。