泛談飛機(jī)機(jī)體機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

秦恒飛

【摘 要】飛機(jī)機(jī)體是航空機(jī)載設(shè)備、系統(tǒng)的載體，在工程上分為主傳力結(jié)構(gòu)、輔助傳力結(jié)構(gòu)、錐形結(jié)構(gòu)等，本文主要從薄壁結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)、抗腐蝕設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)等六個(gè)方面論述主傳力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征及注意事項(xiàng)。

【關(guān)鍵詞】抗腐蝕；疲勞壽命；損傷容限；耐久性

飛機(jī)機(jī)體作為航空機(jī)載設(shè)備、系統(tǒng)的載體，在設(shè)計(jì)中受到諸如外形、總體布局、重量控制等諸多因素的約束。在滿足了這些約束條件后，機(jī)體結(jié)構(gòu)還需滿足靜強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)環(huán)境、抗腐蝕、疲勞壽命、損傷容限、耐久性及結(jié)構(gòu)可靠性要求。

機(jī)體結(jié)構(gòu)工程上分主傳力結(jié)構(gòu)、輔助傳力結(jié)構(gòu)、維形結(jié)構(gòu)等，本文主要論述主傳力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

對于主傳力結(jié)構(gòu)的布局，一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)基本原則：綜合考慮全機(jī)的傳力路線；主承力系統(tǒng)盡量設(shè)計(jì)成超靜定結(jié)構(gòu)，以提高機(jī)體生存力；合理分配重量指標(biāo)，綜合利用受力構(gòu)件；集中力盡量靠近結(jié)構(gòu)件剖面的剛心；盡可能讓傳力路線最短；傳力必須連續(xù)，構(gòu)件剖面剛度變化盡量平緩，防止剛度突變；結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件總體上簡潔流暢，細(xì)節(jié)上平緩精致。

1 薄壁結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

容易產(chǎn)生穩(wěn)定性問題的結(jié)構(gòu)形式主要有：桿、板、柱、筒。

桿：主要受通過桿軸心的簡單壓力或沿軸向分布壓力，呈歐拉失穩(wěn)形式。

板：包括平板和較小曲率的曲板。薄壁結(jié)構(gòu)中有許多形式的屈曲。除簡單受拉的情況沒有屈曲問題外，薄板在板中面內(nèi)受壓、受剪，薄壁梁受彎、受扭，薄壁殼體受外壓等都會發(fā)生屈曲現(xiàn)象。

平板在屈曲后還能繼續(xù)承擔(dān)軸壓?？拷鞐l或緣條的那部分薄板，由于支承的限制，不能自由地凹凸，因而能有效地承受軸壓，而離兩側(cè)支承較遠(yuǎn)的薄板，可以自由凹凸，幾乎不能承擔(dān)軸壓。一般認(rèn)為在有效寬度以內(nèi)的薄板，將隨同它附著的桁條共同承受軸壓。有效寬度以外的薄板則可認(rèn)為不再受力。也就是說薄壁在失穩(wěn)時(shí)并未毀壞，只是應(yīng)力分布改變了，整個(gè)結(jié)構(gòu)仍在繼續(xù)支承載荷，直到整體毀壞為止?？稍趶椥郧罄^續(xù)承載。

梁柱：同時(shí)受彎和受壓的桿件。這種桿件在側(cè)向力作用下產(chǎn)生彎曲撓度，側(cè)向撓度使軸向壓力產(chǎn)生附加彎矩，使側(cè)向彎曲增大，因此必須考慮側(cè)向力與軸向壓力的聯(lián)合作用。在彈性屈曲后，承載能力基本不變。

筒：是對抗屈曲能力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，圓筒受軸向壓力時(shí)抵抗屈曲的能力比平板要高得多，經(jīng)典理論的結(jié)果是在假設(shè)圓筒具有理想幾何形狀下得到的，實(shí)際上由于初始缺陷和邊界條件的影響，試驗(yàn)值比理論值要低得多。且在彈性屈曲后，承載能力急劇下降。

2 機(jī)體結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)

剛度設(shè)計(jì)的需求是由靜變形、機(jī)械振動(dòng)、靜氣彈、動(dòng)氣彈、伺服彈性、氣動(dòng)伺服彈及以上的綜合要求提出的。

在剛度設(shè)計(jì)中要考慮的載荷主要是彈性力、慣性力、氣動(dòng)力和伺服力。在這幾個(gè)載荷中凡會與彈性力組合或耦合的都會涉及到結(jié)構(gòu)剛度問題。

在以上這些對結(jié)構(gòu)剛度的要求中，有些是可以兼顧考慮的，但有些是要產(chǎn)生矛盾的，比如顫振和副翼反效，希望加大主翼面剛度，但為了降低機(jī)身對突風(fēng)響應(yīng)則希望適當(dāng)控制主翼面剛度。

因此，在機(jī)體結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)中針對所有要求全面檢查、權(quán)衡利弊和各專業(yè)要求的余度，重點(diǎn)解決主要矛盾；結(jié)構(gòu)剛度本身的強(qiáng)弱都有一個(gè)適當(dāng)?shù)亩?，可參考相關(guān)同類機(jī)種選擇，最重要的是解決好各環(huán)節(jié)的剛度匹配；結(jié)構(gòu)中各部件，特別是活動(dòng)部件的間隙，安裝精度對剛度影響甚大，尤其是伺服問題上；對操縱舵面變形計(jì)算和試驗(yàn)的載荷工況中，必須包括局部載荷工況。

3 結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)

對結(jié)構(gòu)而言，振動(dòng)的危害主要是影響結(jié)構(gòu)本身的功能（如質(zhì)量分布安裝間隙不當(dāng)影響顫振等要求的頻率）；不能滿足系統(tǒng)、成品對結(jié)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)要求，如成品使用的振動(dòng)環(huán)境、管路、電纜過大的振幅與它們與結(jié)構(gòu)之間的間隙不相容；振動(dòng)疲勞對結(jié)構(gòu)壽命的影響。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要考慮結(jié)構(gòu)件的固有頻率與振源激勵(lì)頻率之間應(yīng)有足夠差值；壁板振動(dòng)不僅影響振動(dòng)強(qiáng)度，而且產(chǎn)生噪聲，改善壁板的支持剛度和壁板本身的法向剛度是防止壁板振動(dòng)的主要方法，如加筋條的合理布局，改善屏格尺寸等。如為外露壁板，還要考慮氣流激勵(lì)；在振動(dòng)環(huán)境下工作的構(gòu)件，盡量選用韌性好，對缺口不太敏感，振動(dòng)阻尼特性好的材料或結(jié)構(gòu)形式；在振動(dòng)環(huán)境中的構(gòu)件，盡量避免用焊接件，尤其是普通焊接件；振動(dòng)環(huán)境中的連接件，一般要用高精度螺栓，且應(yīng)有隔振和防松措施；控制振動(dòng)環(huán)境下工作的構(gòu)件和安裝件（比如導(dǎo)管）的應(yīng)力水平和振幅。振動(dòng)譜與載荷譜不同，一般是高頻且應(yīng)力比較大，與飛行小時(shí)關(guān)系不大，而與激勵(lì)源（如發(fā)動(dòng)機(jī)）的工作狀態(tài)和工作時(shí)間有關(guān)。

4 抗腐蝕設(shè)計(jì)

4.1 腐蝕問題的種類

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要面臨的腐蝕問題有應(yīng)力腐蝕、疲勞腐蝕、剝落腐蝕、氫脆和鎘脆。

應(yīng)力腐蝕：某些合金材料在恒定拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下，導(dǎo)致材料脆性斷裂，特別是高強(qiáng)度鋼和鋁合金對應(yīng)力腐蝕敏感；

疲勞腐蝕：疲勞損傷處（如裂紋）與應(yīng)力腐蝕損傷之間的相互作用；

剝落腐蝕：材料的表面層在加工中或使用中破壞或防腐處理層破壞；

氫脆和鎘脆：氫、鎘離子滲入金屬內(nèi)部使金屬的韌性和抗拉伸強(qiáng)度降低，造成氫脆或鎘脆。氫脆在室溫下最敏感。高強(qiáng)度合金鋼對氫脆敏感。

4.2 抗腐蝕設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）在滿足基本要求的前提下，選用屈服強(qiáng)度較低、裂紋擴(kuò)展常數(shù)較低、電導(dǎo)率高的材料；比如光滑試件的門檻應(yīng)力和腐蝕應(yīng)力強(qiáng)度因子高的材料抗腐蝕能力強(qiáng)；

2）控制好配合孔和配合面的間隙和平整度，防止腐蝕物和介質(zhì)進(jìn)入和殘存；

3）在容易積水積液部位，應(yīng)安排排水液通道和排水孔，排水孔不能太小，排水孔應(yīng)設(shè)在通道的低端；

4）在設(shè)計(jì)中要為外場表面防護(hù)留出足夠的間隙和通道；

5）適當(dāng)利用抗腐蝕工藝方法，如滲碳、滲氮、冷擠壓、膠接等；

6）焊接件的焊縫應(yīng)避免銼修，如不可避免，銼修面應(yīng)防腐表面保護(hù)；

7）結(jié)構(gòu)件裝配中，盡量避免銼修，如不可避免，銼修面應(yīng)防腐表面保護(hù)；

8）鍍鎘的緊固件不允許與鈦合金直接接觸，也不能直接與碳纖維復(fù)材相連；

9）鋁合金結(jié)構(gòu)上的鋼鉚釘或鋼螺釘應(yīng)涂底漆；

10）在鋁合金結(jié)構(gòu)上使用鍍鎘的凸頭螺栓時(shí)，在螺栓與螺帽之間應(yīng)加隔離墊片，受剪螺栓加鋁合金墊片，受拉螺栓加鍍鋅鋼墊片；

11）抗拉強(qiáng)度超過1200MPa的鋼件不允許鍍鋅、鍍鎘；鈦合金不允許鍍鎘，也不允許與鍍鎘件直接接觸。

5 機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)

損傷容限設(shè)計(jì)的總目標(biāo)是確保含有損傷（裂紋）的結(jié)構(gòu)在修理前的使用期內(nèi)，其承載能力能滿足在此期間可能遭受的最大載荷，機(jī)體不會因?yàn)榱鸭y的存在而發(fā)生災(zāi)難性破壞。損傷容限設(shè)計(jì)的主要對象是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

5.1 損傷容限設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

1）確定損傷容限關(guān)鍵部位；

2）可能遭受的最大載荷及在此載荷作用下已存在裂紋結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度；

3）關(guān)鍵部位的裂紋擴(kuò)展壽命和臨界裂紋長度；

4）結(jié)構(gòu)中存在的初始裂紋長度（原材料和加工固有部分以及檢測手段無法檢測到的兩部分）。

5.2 損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)形式特別是主傳力通道的結(jié)構(gòu)構(gòu)形和選材；

2）針對所選材料和構(gòu)件形式進(jìn)行損傷容限試驗(yàn)；

3）損傷容限計(jì)算分析：編制載荷譜或應(yīng)力譜、應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算、裂紋擴(kuò)展計(jì)算、剩余強(qiáng)度計(jì)算；

4）選擇裂紋檢測手段（設(shè)備配置）；

5）特種疲勞增強(qiáng)措施及新工藝方法；

6）質(zhì)量控制程序。

5.3 損傷容限設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)基礎(chǔ)知識

損傷容限設(shè)計(jì)、計(jì)算和試驗(yàn)都是建立在斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上的；損傷容限結(jié)構(gòu)一般分為兩大類：緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)和破損安全結(jié)構(gòu)（多通道傳力和安全止裂）。

1）緩慢裂紋擴(kuò)展但不可檢結(jié)構(gòu)

確定的臨界裂紋長度應(yīng)低于整個(gè)壽命期或大修期可能會擴(kuò)展的裂紋長度，設(shè)計(jì)時(shí)選用裂紋擴(kuò)展速率低、斷裂韌性好的材料；控制包括應(yīng)力集中因素在內(nèi)的應(yīng)力水平；充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2）緩慢裂紋擴(kuò)展并可檢結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)在使用中出現(xiàn)的裂紋可被檢測而且可修復(fù)或更換。裂紋長度應(yīng)按可檢級別（場站可檢、大修可檢）分級。

破損安全多通道結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)在主傳力途徑結(jié)構(gòu)失效后，殘存結(jié)構(gòu)仍能承擔(dān)修理前使用期內(nèi)可能遭受的最大載荷。

破損安全止裂結(jié)構(gòu)，壁板上的桁條或加筋條是很典型的止裂結(jié)構(gòu)形式，但能否達(dá)到預(yù)期的止裂效果，是需要在靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)思想上增加損傷容限思想才能達(dá)到。裂紋擴(kuò)展到桁條或筋條處時(shí)，板上載荷向桁條或加筋條上轉(zhuǎn)移，使板的剩余強(qiáng)度提升。適當(dāng)?shù)亩鄬咏Y(jié)構(gòu)可使其中一層出現(xiàn)裂紋時(shí)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到與之相連的緊固件孔邊，孔起止裂作用，同時(shí)緊鄰的一層“接力”傳載，提升了有裂紋層的剩余強(qiáng)度；多排鉚釘結(jié)構(gòu)。

5.4 對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行損傷容限評估檢查時(shí)要注意的因素

確定主傳力結(jié)構(gòu)的范圍并檢查其與損傷容限設(shè)計(jì)原理和方法的符合性。

多通道設(shè)計(jì)思想是否清晰，是否有故障設(shè)定的傳力計(jì)算結(jié)果，計(jì)算模型是否合理（如建模、支持邊界、載荷邊界等）；

不可檢緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果；結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中因素、腐蝕環(huán)境及其應(yīng)對措施；應(yīng)力控制水平是否合適；

可檢緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的裂紋檢測手段及與之配套的檢測通道是否可行；

普查各止裂措施的狀況，如壁板、梁緣條、框梁腹板上的開孔和加勁柱、傳力結(jié)構(gòu)通道打斷后的連接區(qū)。

壁板：整體壁板如處在油箱等密封區(qū)，不允許產(chǎn)生穿透性裂紋。處于受壓區(qū)的壁板應(yīng)首先進(jìn)行穩(wěn)定性分析，確保筋條能有效隔波，然后檢查筋條是否存在總體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)隱患，這是筋條能否有效止裂的靜強(qiáng)度基礎(chǔ)。

筋條尺寸與板厚的匹配是否滿足設(shè)計(jì)原則的要求：根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果檢查蒙皮與筋條的載荷分配；

梁緣條：梁緣條往往與直立隔板或肋相連，同時(shí)又是壁板的支持邊。由于梁的剛度一般較大，既是傳力通道上載荷“分配器”，又是壁板等結(jié)構(gòu)件所卸載荷的“承接”對象，梁緣條上的連接孔幾乎是梁上所有載荷的入口。由于梁緣條上連接孔上的載荷是不均勻分布的，要著重檢查計(jì)算報(bào)告和試驗(yàn)結(jié)果，確定這些連接孔的關(guān)鍵孔位，并檢查該處孔徑與緣條厚度、邊距等的匹配性，緣條孔的可檢性和維護(hù)性以及特種工藝的試驗(yàn)驗(yàn)證情況。

框梁壁板上的開孔和加勁柱：框梁的腹板上由于成品、管路、電纜等的安裝和通道而需開孔。檢查其是否符合抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)原則：如孔的位置、形狀、是否出現(xiàn)小孔或大孔、過渡區(qū)附近的連接孔是否傷及圓弧區(qū)；立柱的安排能否隔斷失穩(wěn)半波長；與腹板相連的立柱是否與梁緣條根部R區(qū)干涉（比如是否有立柱尖角與R區(qū)相摩擦）；

在縱、橫向構(gòu)件打斷處的連接角盒：為了保證主傳力通道上構(gòu)件的傳力暢通，在縱橫向構(gòu)件交接處往往需打斷橫向件或縱向件，確定哪個(gè)構(gòu)件斷，除了設(shè)計(jì)技術(shù)上因素外，往往還有工藝上的需要，比如縱向型材太長，不便加工和保證平直度，以及成本上的因素，對不同的斷法，都需要用轉(zhuǎn)接盒確保傳力路線暢通。如縱向件斷，由于需傳遞拉壓載荷和彎矩，角盒上的連接件往往受拉壓；如果橫向件斷，連接件一般受剪切為主。

6 機(jī)體結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的耐久性是結(jié)構(gòu)的一種基本品質(zhì)。它代表在規(guī)定使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂、熱退化、剝離、磨損和外來損傷的能力。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)壽命而不是安全壽命。它涵蓋的是產(chǎn)品的整個(gè)服役期。所謂經(jīng)濟(jì)壽命，就是在機(jī)體已出現(xiàn)大范圍的嚴(yán)重?fù)p傷，不經(jīng)修理已嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用，但修理又不經(jīng)濟(jì)（修理費(fèi)用，停用時(shí)間產(chǎn)生的代價(jià)比剩余壽命所產(chǎn)生的效益大）這時(shí)的壽命稱為經(jīng)濟(jì)壽命。

由于耐久性設(shè)計(jì)還處于不斷發(fā)展階段，目前國內(nèi)的主要耐久性設(shè)計(jì)研究對象還主要限于連接孔和類似整體油箱一類的結(jié)構(gòu)件。耐久性設(shè)計(jì)是在疲勞設(shè)計(jì)和損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加入經(jīng)濟(jì)性的考量發(fā)展起來的。

7 總結(jié)語

飛機(jī)機(jī)體是航空機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)的載體，工程上分為主傳力結(jié)構(gòu)、輔助傳力結(jié)構(gòu)、錐形結(jié)構(gòu)等，本文主要從薄壁結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)、抗腐蝕設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)等六個(gè)方面論述主傳力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特征及注意事項(xiàng)，對飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

[責(zé)任編輯：湯靜]