飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的演變概述

秦恒飛

【摘 要】本文簡要從飛機(jī)設(shè)計(jì)的方案論證，打樣設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品試制和設(shè)計(jì)定型及批生產(chǎn)等階段介紹強(qiáng)度設(shè)計(jì)的工作特點(diǎn)，逐步分析在每個(gè)階段，強(qiáng)度設(shè)計(jì)的深度和工作內(nèi)容，繼而簡述強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的演變及設(shè)計(jì)規(guī)范，并針對在強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作中如何使用設(shè)計(jì)規(guī)范提出了幾點(diǎn)建議，對飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想；強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范；演變

由于飛機(jī)是需要重復(fù)使用的載人航空器，既要求重量輕，又要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，可靠性高。強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)際上就是解決這一矛盾的主要手段。這就是與其它行業(yè)相比，強(qiáng)度設(shè)計(jì)在航空系統(tǒng)中地位比較突出的原因。

飛機(jī)設(shè)計(jì)一般分為方案論證，打樣設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品試制和設(shè)計(jì)定型及批生產(chǎn)。在每個(gè)階段，強(qiáng)度專業(yè)介入的深度和所肩負(fù)的工作都不同。

1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)各階段概述

1.1 方案論證階段

一種新飛機(jī)（包括改型機(jī)）的研制任務(wù)來源一般有兩種形式：一是，與用戶簽訂研制合同；一種是，根據(jù)市場需要自擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行的開發(fā)。無論哪一種形式，都需確定技術(shù)指標(biāo)。所謂技術(shù)指標(biāo)，就是指設(shè)計(jì)定位在國際國內(nèi)何種先進(jìn)技術(shù)水平，比如航電、設(shè)備配置、發(fā)動機(jī)選型、使用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。

在此階段，強(qiáng)度設(shè)計(jì)師的主要工作是對總方案和各子方案給予強(qiáng)度方面的支持，比如根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中確定的飛機(jī)重量，過載及飛機(jī)外形與結(jié)構(gòu)專業(yè)一起判斷結(jié)構(gòu)空間及主要承力構(gòu)件的排布意向。編寫《飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求》，該文件的主要內(nèi)容一般為選用的強(qiáng)度規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；幾個(gè)重要的飛機(jī)重量；強(qiáng)度飛行包線；過載包線；低空大表速值；外掛物等的限制使用；壽命指標(biāo)等。

1.2 打樣設(shè)計(jì)階段

在這個(gè)階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)要進(jìn)行主要承力構(gòu)件的排布，形成結(jié)構(gòu)要素圖，完成各系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)。

協(xié)調(diào)過程說到底是總體，系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)“爭奪”空間和部位，強(qiáng)度專業(yè)在此階段的工作比較繁雜，一方面參與配合的強(qiáng)度設(shè)計(jì)員應(yīng)從剛度、強(qiáng)度、疲勞各方面就結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)支承部件能否滿足要求對各方案發(fā)表自己的意見，必要時(shí)要進(jìn)行估算或論證。另一方面要建立起整體結(jié)構(gòu)有限元模型。但是這時(shí)的許多結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)尺寸并不都是確定的，因此，模型可能面臨著多輪修改的問題，這要求強(qiáng)度設(shè)計(jì)員時(shí)時(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的狀態(tài)，并且要有耐心，經(jīng)常向結(jié)構(gòu)專業(yè)給出強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)和選材的修改反饋意見。

1.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

經(jīng)過粗打樣設(shè)計(jì)階段的協(xié)調(diào)和結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在這階段，結(jié)構(gòu)要完成結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)圖樣。強(qiáng)度專業(yè)的工作全面轉(zhuǎn)入校核計(jì)算和靜力試驗(yàn)。

1.4 產(chǎn)品試制階段

這階段的重要目的不言而喻是為了生產(chǎn)出供飛行試驗(yàn)，靜力試驗(yàn)的飛機(jī)和零組件。設(shè)計(jì)與工藝、工裝夾具等是否存在不協(xié)調(diào)，不配套等矛盾必定要相繼反映出來。因此，結(jié)構(gòu)圖可能還要作某些適應(yīng)性修改。強(qiáng)度專業(yè)要進(jìn)行配合。另一方面，產(chǎn)品正在進(jìn)行試制，不可避免要出現(xiàn)故障處理。

要進(jìn)行全機(jī)靜力試驗(yàn)的飛機(jī)在這階段要按靜力試驗(yàn)大綱的配套要求，完成交付給試驗(yàn)部門。強(qiáng)度專業(yè)應(yīng)按照靜力試驗(yàn)大綱中的有關(guān)狀態(tài)追蹤。特別要注意有些車間將超差零件都往這架飛機(jī)上集中的現(xiàn)象。

1.5 設(shè)計(jì)定型批生產(chǎn)階段

這階段強(qiáng)度專業(yè)要按照設(shè)計(jì)定型的程序要求編制定型評審文件、批生產(chǎn)抽檢的靜力試驗(yàn)文件，并且要著手準(zhǔn)備疲勞定壽。一般情況下，強(qiáng)度專業(yè)可以利用這段時(shí)間進(jìn)行總結(jié)提高和完善文件檔案。

當(dāng)然，批生產(chǎn)的配合是強(qiáng)度專業(yè)的日常事務(wù)。設(shè)計(jì)定型是對設(shè)計(jì)質(zhì)量高低，工藝可達(dá)性甚至于性能價(jià)格比的一次全面檢查。

這時(shí)的批生產(chǎn)實(shí)際上是小批生產(chǎn)，在這階段進(jìn)一步完善工藝規(guī)程，穩(wěn)定成附件，材料等供應(yīng)渠道和質(zhì)量，充分暴露問題和解決問題，為下一步的生產(chǎn)定型作準(zhǔn)備。

2 飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的演變

強(qiáng)度設(shè)計(jì)要形成一套體系或者思想，是在前人進(jìn)行了大量的研究和探索，并且受當(dāng)時(shí)工業(yè)發(fā)展，理論水平的制約形成的。由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的特殊地位，飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的形成遠(yuǎn)比其它行業(yè)來得及時(shí)，其發(fā)展并形成體系無論深度還是規(guī)范化都是其它行業(yè)無法比擬的。

一般說來，飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想分為以下幾個(gè)演變階段。

2.1 靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想

結(jié)構(gòu)在給定的設(shè)計(jì)載荷下，不發(fā)生靜力破壞，在使用載荷下不發(fā)生可見的永久變形。這是對靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的一般定義。并且認(rèn)為只要滿足了這一標(biāo)準(zhǔn)，就認(rèn)為是安全的。這里面涉及到幾個(gè)問題：一是，設(shè)計(jì)載荷與使用載荷的關(guān)系，也就安全系數(shù)取多大。大家知道，安全系數(shù)在不同的行業(yè)有不同的取法，滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的要求，也能保證結(jié)構(gòu)的安全。第二個(gè)是，這種“安全”能維持多久，即結(jié)構(gòu)的使用壽命并未能在這種思想中反映。因?yàn)橛冒踩禂?shù)保證的這種安全是在靜力載荷作用下的安全，在與時(shí)間有關(guān)的交變載荷作用下，材料的性態(tài)是與靜載作用下不同的。

2.2 安全壽命設(shè)計(jì)思想

這是一種20世紀(jì)50年代后期發(fā)展起來的思想。這時(shí)已經(jīng)知道，足夠的靜強(qiáng)度不能保證結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下維持足夠久的安全。于是在這一設(shè)計(jì)思想中給出結(jié)構(gòu)的安全壽命，也就是無裂紋壽命，這種思想無疑是對靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的一次革命。但是我們知道材料本身和制造過程中都會留下缺陷，裂紋是客觀存在的。因此就造成了所謂安全壽命不安全的問題。

我們平時(shí)進(jìn)行的壽命估算得出的值實(shí)際上就是無裂紋壽命或裂紋形成壽命。

2.3 破損安全設(shè)計(jì)思想

承認(rèn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的材料和制造都存在缺陷。而且飛機(jī)在使用歷程中也會出現(xiàn)裂紋。破損安全設(shè)計(jì)思想要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)在帶有這些損傷和裂紋的情況下仍能承受規(guī)定的外載荷并能“安全”地承受一段時(shí)間直到下一次維修時(shí)發(fā)現(xiàn)這些裂紋并將之修復(fù)。

這種思想對工程技術(shù)提出了比安全壽命設(shè)計(jì)思想高得多的要求，首先要有足夠的檢測技術(shù)來發(fā)現(xiàn)這些裂紋，第二是要知道在一定尺度的初始裂紋和規(guī)定的外載荷作用下，經(jīng)歷多長時(shí)間還能在安全范圍內(nèi)。

我們平時(shí)所說的臨界裂紋長度，裂紋擴(kuò)展壽命等都是這一思想常用的術(shù)語。

2.4 損傷容限設(shè)計(jì)思想

這是在破損安全壽命設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)上提出的。既然結(jié)構(gòu)上裂紋是客觀存在的，使用過程中還會產(chǎn)生裂紋，而且裂紋還會擴(kuò)展，損傷容限設(shè)計(jì)思想就是如何利用當(dāng)前的技術(shù)水平使結(jié)構(gòu)達(dá)到阻止裂紋擴(kuò)展，延緩裂紋擴(kuò)展，甚至利用多通道傳力途徑達(dá)到一部分結(jié)構(gòu)失去傳載能力另一部分仍能保證結(jié)構(gòu)安全承載。

我們平時(shí)所用的止裂措施，多層結(jié)構(gòu)，用裂紋擴(kuò)展速率來判斷結(jié)構(gòu)的“好壞”等都是這一思想的產(chǎn)物。在全機(jī)疲勞壽命試驗(yàn)完成了規(guī)定的試驗(yàn)指標(biāo)后所進(jìn)行的剩余強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)際上也是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限能力的檢驗(yàn)。

2.5 耐久性損傷容限設(shè)計(jì)思想

破損安全設(shè)計(jì)思想與損傷容限設(shè)計(jì)思想都允許對結(jié)構(gòu)進(jìn)行修理，保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用壽命期（裂紋形成壽命+修理壽命）內(nèi)，不因疲勞、腐蝕、意外損傷等造成災(zāi)難性事故，即要保證有良好的疲勞壽命特性。但是修理所得到的收益和修理所付出的代價(jià)之間應(yīng)當(dāng)有個(gè)權(quán)衡值。也就是說在保證結(jié)構(gòu)具有良好壽命特性的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)有良好的維修經(jīng)濟(jì)性，這就是耐久性的要求，在此同時(shí)用損傷容限保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全。

除了維修經(jīng)濟(jì)性以外，由于維修帶來的對飛機(jī)出勤率的影響是經(jīng)濟(jì)性的另一層含義。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范及使用

規(guī)范是指導(dǎo)性文件，然而規(guī)范不是法律，是可以選擇性執(zhí)行的，但是一旦選定必須執(zhí)行。強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范是通用規(guī)范，是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)中要滿足的基本要求提出的普遍性原則。在具體飛機(jī)，不同部件的設(shè)計(jì)分析，試驗(yàn)中如果還有更為具體的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)則應(yīng)按它們來執(zhí)行。我國1975年頒布的《飛機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)范（試用本）》一直還在引用，它對應(yīng)的是原蘇聯(lián)1956年規(guī)范，俄羅斯也分別在1964年、1978年、1993年多次更新強(qiáng)度和剛度規(guī)范，但由于保密，我們得不到。

而強(qiáng)度設(shè)計(jì)在使用強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范要解決的主要有以下幾個(gè)方面：

3.1 檢查設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容的完整性

由于強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范是在前人大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上集中了國家各方面的飛機(jī)設(shè)計(jì)專業(yè)人才編制而成的，因此它的內(nèi)容很全面，提供的數(shù)據(jù)和方法大都經(jīng)過多年的使用考核和試驗(yàn)支持，因此，利用規(guī)范來檢查我們在設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算和試驗(yàn)工作中所選取的項(xiàng)目和內(nèi)容是否完整是非常必要的。

比如載荷工況的選取是否涵蓋了飛機(jī)結(jié)構(gòu)所有的嚴(yán)重受載情況；部件載荷是否考慮了使用中特殊要求；計(jì)算和試驗(yàn)內(nèi)容中是否考慮了環(huán)境因素；設(shè)備、系統(tǒng)等對結(jié)構(gòu)的特殊要求是否得到滿足；試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)程序中是否有遺漏；強(qiáng)度文件的編寫內(nèi)容和格式是否符合規(guī)范要求等。

3.2 檢查計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)內(nèi)容中參數(shù)的選取是否合理

在規(guī)范中，主要的參數(shù)都給出了確定值或取值范圍。在確定參數(shù)的取值時(shí)，應(yīng)首先滿足規(guī)范要求，如果有不同取值，應(yīng)有充分論證并經(jīng)總設(shè)計(jì)師批準(zhǔn)。

3.3 檢查分析、計(jì)算和試驗(yàn)狀態(tài)的選取是否滿足規(guī)定和要求

在結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算和試驗(yàn)中狀態(tài)的選取至關(guān)重要。狀態(tài)的檢查應(yīng)在全面消化規(guī)范中相關(guān)內(nèi)容后逐項(xiàng)進(jìn)行。因此，主管設(shè)計(jì)員應(yīng)對自己負(fù)責(zé)的部分規(guī)范中的要求有充分了解，對舍去的狀態(tài)應(yīng)有說明。

這里說的狀態(tài)一般包括：結(jié)構(gòu)受載姿態(tài)；載荷所對應(yīng)的飛行參數(shù)及載荷來源（比如操縱系統(tǒng)和操縱舵面的載荷是從鉸鏈力矩產(chǎn)生還是由座艙內(nèi)操縱桿等施加的載荷產(chǎn)生等）；結(jié)構(gòu)連接處的安裝情況；總體受載狀態(tài)和局部受載狀態(tài)；是否需要考慮特殊要求等。

4 總結(jié)語

本文簡要從飛機(jī)設(shè)計(jì)的方案論證，打樣設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品試制和設(shè)計(jì)定型及批生產(chǎn)等階段介紹強(qiáng)度設(shè)計(jì)的工作特點(diǎn)，逐步分析在每個(gè)階段，強(qiáng)度設(shè)計(jì)的深度和工作內(nèi)容，繼而簡述強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想的演變及設(shè)計(jì)規(guī)范，并針對在強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作中如何使用設(shè)計(jì)規(guī)范提出了幾點(diǎn)建議，對飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]