機翼的損傷容限設(shè)計

朱文蘭+夏明+陳付奎+譚小輝+張惠兵

摘要隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單純的結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計已經(jīng)被損傷容限耐久性設(shè)計代替。損傷容限耐久性設(shè)計成為當(dāng)前飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的準則。

關(guān)鍵詞損傷容限；耐久性；疲勞；腐蝕；剩余強度

中圖分類號：V215 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0139-01

1概述

損傷容限主要包括：在規(guī)定的壽命增量內(nèi)，結(jié)構(gòu)能成功地遏制損傷而無損于飛行安全的能力；在遭受疲勞、腐蝕、意外或離散源引起的定量損傷后，在一定的使用期內(nèi)，結(jié)構(gòu)保持其剩余強度的能力。

2機翼的功用及結(jié)構(gòu)受力分析

機翼安裝在飛機機身上，主要功用產(chǎn)生升力的一個重要部件，是飛機能夠飛行的根本保障。從機翼的翼形上看，它成的上反角為飛機提供一定的橫向穩(wěn)定性。從機翼的結(jié)構(gòu)上看，在它的后緣一般還布置有橫向操縱用的副翼及擾流片等附翼裝置。同時為了改善機翼的空氣動力效用，在前和后緣還裝有形式各樣的襟翼及縫翼等增升裝置，以提高飛機的起飛著陸或機動性能。為保證安全，很多飛機都把燃油儲存在機翼內(nèi)。防置燃油的油箱有整體油箱和軟油箱兩種，為減輕重量，近代飛機機翼油箱很多為整體油箱。

機翼通常分為中央翼、中外翼擊外翼三個盒段。翼盒是機翼盒段的主要承力部件，承受機翼上產(chǎn)生的所有載荷。翼盒由上下壁板、前后梁及翼肋組成。上、下壁板起承受氣動載荷和維持機翼外形的作用。翼肋分為普通肋和加強肋兩種。普通肋不參與總體受力，它的主要功用是承受局部氣動載荷和維持剖面形狀。加強肋則有兩個作用，一是用來承受其他部件傳遞而來的集中載荷，將它擴散成分布剪流傳遞到與之相連的壁板和梁所組成的翼盒上；二是將某種形式的分散剪流轉(zhuǎn)換成另一種形式的分散剪流。前后梁的主要外載是由每個肋傳來的剪力。

3損傷容限設(shè)計的定義及由來

作為一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，損傷容限設(shè)計已經(jīng)被廣泛運用到飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中。

損傷容限（damage tolerance）是一種較新的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。該理論假設(shè)，任何結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部都有來自加工及使用過程的缺陷，而如何利用各種損傷理論（如斷裂力學(xué)）以及給定的外載荷，確定這些缺陷的擴展速度以及結(jié)構(gòu)的剩余強度從而更好地完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，則是設(shè)計者的主要任務(wù)。

由于新工藝、新材料及其在新環(huán)境中的大量使用，在第二次世界大戰(zhàn)期間，世界上接連發(fā)生了許多起低應(yīng)力脆斷的災(zāi)難性事故。這當(dāng)中最為著名的有：美國1942~1948年，近五千艘焊接油船——“自由輪”和“T—2”在使用中發(fā)生了一千多次低應(yīng)力脆斷事故，當(dāng)中有238艘完全報廢，有21艘折段；1950年，美國導(dǎo)彈——“北極星”的260英寸固體火箭發(fā)動機殼體（用高強度材料σb＝1400 MPa制造），在實驗發(fā)射時脆斷、爆炸，當(dāng)時其破壞應(yīng)力不足屈服極限的一半；1954年，美國“慧星號”飛機在空中發(fā)生脆斷性事故，同年在北大西洋“世界協(xié)和號”巨輪折成兩半；1954~1956年美國有多起大型電站轉(zhuǎn)子斷裂；60年代美英日等國均發(fā)生多起壓力容器爆炸性事故。

通過上述這些斷裂性事故，設(shè)計人員逐漸意識到僅僅依靠疲勞設(shè)計并不能保證安全，建立在斷裂學(xué)基礎(chǔ)上的損傷容限設(shè)計逐步發(fā)展起來。

4損傷容限設(shè)計的作用及分類

飛機結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計方法是在總結(jié)以往飛機設(shè)計、使用經(jīng)驗并在斷裂力學(xué)理論的發(fā)展基礎(chǔ)上，以設(shè)計規(guī)范形式確定下來的一種設(shè)計準則。這一設(shè)計方法是對安全壽命、破損安全等設(shè)計方法的補充和發(fā)展，既能較好地保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，又是較經(jīng)濟、合理的設(shè)計方法。承認在結(jié)構(gòu)中存在一定程度的末被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋和其他損傷是損傷容限設(shè)計的基本出發(fā)點，通過損傷容限特性分析與試驗，給出可檢的結(jié)構(gòu)檢修周期及不可檢結(jié)構(gòu)最大允許初始損傷。從而保證不至于因為未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋或其他損傷擴展，結(jié)構(gòu)在給定的使用壽命期限內(nèi)出現(xiàn)災(zāi)難性的事故。

以下三個同等重要的因素是組成損傷容限結(jié)構(gòu)的特性所具有的。

1）臨界裂紋尺寸（剩余強度）。它表明在剩余強度要求的載荷作用下，詼結(jié)構(gòu)允許存在的最大損傷；或在某一規(guī)定的損傷情況，結(jié)構(gòu)剩余強度能力應(yīng)大于對該結(jié)構(gòu)的剩余強度要求值（即損傷容限載荷）。

2）裂紋擴展。在該結(jié)構(gòu)部位的載荷譜和環(huán)境譜作用下，裂紋長度從可檢裂紋尺寸（初始裂紋尺寸）至臨界裂紋尺寸值之間的裂紋擴展期。

3）損傷檢查。各種檢查方法及檢查周期的選擇．

5機翼損傷容限設(shè)計方法

損傷容限設(shè)計方法是在應(yīng)用斷裂力學(xué)的基本原理基礎(chǔ)上，從設(shè)計、制造、分析評估、試驗及維護諸方面全方位地實施結(jié)構(gòu)控制，最終完成損傷容限設(shè)計的要求和目標。就機翼來說，損傷容限設(shè)計包括以下幾個方面。

1）根據(jù)各個部位應(yīng)力水平使用適當(dāng)?shù)牟牧希ㄊＳ鄰姸取菰O(shè)計載荷），并對結(jié)構(gòu)材料纖維方向及材料本身進行控制。

2）選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計類型并進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局（如多路傳力結(jié)構(gòu)、多重元件或止裂構(gòu)件的布置），以及高度開敞并可檢的損傷容限結(jié)構(gòu)的設(shè)計與使用，即機翼上壁板合理設(shè)計布置維護口蓋（包括口蓋的大小、位置等），用以檢查油箱內(nèi)部主要受力部件。

3）合理地使用應(yīng)力水平控制。

4）制造和工藝的控制。緊固件的配合形式及開孔區(qū)域的強化同樣對結(jié)構(gòu)損傷容限起了至關(guān)重要的作用。在機翼盒段設(shè)計中對主要受力構(gòu)件間的連接形式，如梁緣條、梁腹板與梁立柱的連接、壁板與梁的連接、壁板與壁板的搭接等無需拆卸部位采取過盈配合的連接螺栓或者鉚釘。而在可卸的主要受力構(gòu)件，或者是主要受力位置的開孔區(qū)域，如中央翼與中外翼的對接孔，則可以采用表面噴丸強化的方式，提高其損傷容限。

5）采用精細的檢驗程序（向生產(chǎn)部門發(fā)出設(shè)計文件，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同的類型和不同的可檢度，分類提出損傷檢查的詳細要求和檢查間隔、檢查手段和靈敏度要求等）。對機翼來說檢驗部位則是壁板、梁和翼肋的主要承力部件，如梁上的主要受力部件：上下梁緣條、梁與機身連接接頭等；壁板上主要受力部件：壁板與壁板對接位置等；以及主要的受力端肋上的接頭等。

6結(jié)束語

從設(shè)計技術(shù)上看，相對于單純的疲勞設(shè)計，損傷容限耐久性設(shè)計更具有科學(xué)性、理論性和實用性。至今，各國先進飛機的主要設(shè)計思想仍是耐久性損傷容限設(shè)計。在JSSG2206（1998112）——美國空海軍聯(lián)合規(guī)范（當(dāng)今世界上最新的飛機設(shè)計規(guī)范）對飛機結(jié)構(gòu)完整性要求中，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計思想的主線依然是耐久性損傷容限設(shè)計。

飛機結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)經(jīng)過世界各國20多年的工程實踐和航空工業(yè)的發(fā)展。其核心技術(shù)耐久性損傷容限設(shè)計要求，代表了新的設(shè)計規(guī)范的發(fā)展方向，也是設(shè)計先進飛機應(yīng)遵循的準則。

參考文獻

[1]航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院美國空軍損傷容限設(shè)計手冊[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

[2]飛機結(jié)構(gòu)耐久性及損失容限手冊[M].第三冊航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究所，1989.

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