飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性對結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計分析的新要求

摘要：飛行器在服役使用過程中，其服役完整性、服役適用性和服役效能（對于軍用飛行器又可以稱為作戰(zhàn)完整性、作戰(zhàn)適用性和作戰(zhàn)效能）構(gòu)成了其三個重要頂層基本屬性，以反映飛行器在服役過程中是否“能用”“好用”“管用”的程度。飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性是飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性，是飛行器綜合質(zhì)量特性的反映，且由結(jié)構(gòu)等各系統(tǒng)的服役（作戰(zhàn)）完整性決定的。本文在介紹飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性、飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了飛行器結(jié)構(gòu)靜態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性和動態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性的概念和表征方法，明確了飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性符合“木桶原理”。從飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的需要出發(fā)，闡述了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方面需要加強(qiáng)的工作以及飛行器結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計、分析工作方面的新要求。最后，以示例形式對模塊化新型結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂設(shè)計/分析、意外損傷/戰(zhàn)傷和修復(fù)后的結(jié)構(gòu)傳力分析和斷裂強(qiáng)度評估以及戰(zhàn)時軍用飛行器最低放飛標(biāo)準(zhǔn)的制定等需要開展的工作進(jìn)行了簡要分析。本文得到的結(jié)論可以為飛行器結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念的更新及飛行器的服役（作戰(zhàn)）使用提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：飛行器；服役（作戰(zhàn)）完整性；結(jié)構(gòu)；疲勞；斷裂；設(shè)計分析

中圖分類號：V215.文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.005

飛行器作為人類社會發(fā)展的重要裝備，在服役使用過程中，其服役完整性、服役適用性和服役效能（對于軍用飛行器又可以稱為作戰(zhàn)完整性、作戰(zhàn)適用性和作戰(zhàn)效能）構(gòu)成了其三個重要的頂層基本屬性[1-2]，以反映飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中“能用”“好用”“管用”的程度。飛行器的服役（作戰(zhàn)）完整性是飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中保持完好及功能未受到削弱的屬性，其反映的是飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中的綜合質(zhì)量特性。

飛行器由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、航空電子系統(tǒng)以及武器系統(tǒng)（對于軍用飛行器）等組成。因此，飛行器的服役（作戰(zhàn)）完整性也由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等各系統(tǒng)的服役（作戰(zhàn)）完整性構(gòu)成。在服役（作戰(zhàn)）使用過程中，飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的保持對于飛行器整機(jī)的服役（作戰(zhàn)）完整性的保持具有重要作用。

在傳統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以往都是依據(jù)單項性能要求或者特性要求來進(jìn)行的。如飛行器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計完成后必須要滿足相應(yīng)的重量要求、服役壽命要求以及通用質(zhì)量特性（如可靠性、維修性等）要求。然而，僅從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量特性來看，依據(jù)通用質(zhì)量特性參數(shù)要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不一定能夠滿足綜合質(zhì)量特性的要求。從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的服役（作戰(zhàn)）完整性的角度來看，要保證飛行器結(jié)構(gòu)的長壽命以及較高的抗斷裂能力，必須發(fā)展一些新的設(shè)計分析方法。本文試圖從結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的角度出發(fā)，對結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計分析方面一些新的需求作一個初步分析，以供參考。

1飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性簡介

1.1飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性的概念

參考文獻(xiàn)[3]中給出了軍用飛機(jī)作戰(zhàn)完整性的概念并對其進(jìn)行了討論。實際上，軍用飛機(jī)作戰(zhàn)完整性的概念是從軍用飛機(jī)整個作戰(zhàn)流程來分析其在作戰(zhàn)使用全過程中保持其完整性問題的。軍用飛機(jī)作戰(zhàn)使用全過程包括備戰(zhàn)過程（也就是訓(xùn)練過程）和作戰(zhàn)過程，即軍用飛機(jī)的服役使用過程。因此，軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)完整性也可以稱為服役完整性。對于民用飛機(jī)，也要求其在整個服役使用過程中保持完整性。因此，服役完整性的概念也適用于民用飛機(jī)。同理，服役完整性的概念也適用于其他飛行器和裝備。飛行器的服役完整性適用于所有飛行器，只不過對于軍用飛行器常常又稱飛行器作戰(zhàn)完整性，而對于民用飛行器常常又可以稱為飛行器使用完整性或者運(yùn)行完整性[2]。

飛行器的服役（作戰(zhàn)）完整性可以表述為：飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中保持完好及功能未受到削弱的屬性。在考慮飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中對質(zhì)量特性的要求的情況下，飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性又可以表述為：飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中，在要求的耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性（注：也有將survivability翻譯為“生存力”的，嚴(yán)格來說“生存性”表示生存能力，“力”與“能力”是不同的概念）和修復(fù)性水平下，飛行器保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性。顯然，飛行器的服役（作戰(zhàn)）完整性反映的是飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中的綜合質(zhì)量特性。

1.2飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性與“六性”的關(guān)系

需要指出的是，飛行器的通用質(zhì)量特性和飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性的關(guān)系可以簡單分析如下：飛行器的通用質(zhì)量特性“六性”是指可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性和環(huán)境適應(yīng)性，稱為飛行器的通用質(zhì)量特性，是圍繞裝備的故障問題逐步發(fā)展和完善起來的[4]，分別從不同的側(cè)面反映了飛行器裝備的基本特性，主要目的是保障裝備在服役期內(nèi)滿足平時儲備和實際使用要求，確保穩(wěn)定的工作狀態(tài)和技術(shù)性能、降低周期費用[5-6]。總的來說，裝備傳統(tǒng)“六性”中的“五性”在飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性中的各影響參數(shù)中均有體現(xiàn)，而環(huán)境適應(yīng)性本質(zhì)上是屬于飛行器服役（作戰(zhàn)）適用性研究的范疇。兩者相比，飛行器通用質(zhì)量特性是以飛行器的通用質(zhì)量需求為牽引，反映飛行器通用質(zhì)量水平的一系列度量，每個度量表明飛行器某一個方面的質(zhì)量特性。而飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性的應(yīng)用特點更為鮮明，是以飛行器執(zhí)行并完成服役（作戰(zhàn)）任務(wù)的需求為牽引，增加了飛行器的生存性和修復(fù)性指標(biāo)，反映飛行器能否順利用于執(zhí)行并完成服役（作戰(zhàn)）任務(wù)的綜合質(zhì)量特性，是飛行器實際完好程度的一種度量?？梢钥闯?，飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性與“六性”等既相互聯(lián)系，又有各自鮮明的特點，不能互相代替。

飛行器的服役（作戰(zhàn)）完整性是從飛行器執(zhí)行完成任務(wù)的角度出發(fā)，綜合反映飛行器在整個服役（作戰(zhàn)）使用過程中的質(zhì)量特性。譬如，對于軍用飛行器，其實際作戰(zhàn)使用過程既包括準(zhǔn)備作戰(zhàn)（訓(xùn)練）過程，也包括執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)過程以及持續(xù)完成作戰(zhàn)任務(wù)過程（即多次重復(fù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)直至完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程）。如果軍用飛行器的作戰(zhàn)完整性差，也就是其綜合質(zhì)量特性差，具體表現(xiàn)在飛行器的耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性和修復(fù)性等較差，將直接導(dǎo)致飛行器不能有效地用于完成作戰(zhàn)任務(wù)。對于民用飛行器，雖然沒有訓(xùn)練階段，但在服役使用過程中，如果其耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性和修復(fù)性等較差（例如，由于生存性差而導(dǎo)致飛行器在空中飛行時遭遇鳥撞、雷擊、冰雹等意外損傷時難以安全返回，由于修復(fù)性差而導(dǎo)致飛行器在空中飛行遭遇意外損傷時難以快速修復(fù)等），也將直接導(dǎo)致其不能有效地用于完成運(yùn)輸任務(wù)，直接影響航空公司的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性的組成

飛行器通常是由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等組成。所以，飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性也由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等系統(tǒng)的服役（作戰(zhàn)）完整性構(gòu)成和決定。顯然，在服役使用過程中，飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的保持對于飛行器整機(jī)的服役（作戰(zhàn)）完整性的保持具有重要作用。

2飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性

2.1飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的提出

事實上，完整性的概念最早由美國空軍于1954年提出，并伴隨著美國空軍出現(xiàn)的一系列事故而逐步發(fā)展完善，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)——飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（aircraft structural integrity program， ASIP）也隨之進(jìn)行了10余次補(bǔ)充與改版。美國最新的ASIP是2016年發(fā)布的MIL-STD-1530D[7]，與之相比，我國也發(fā)展了相應(yīng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱，如GJB775.A2012[8]。

“完整性”一詞成為表征飛機(jī)質(zhì)量特性的一個重要概念[9]。最初被提出的是飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性，而后又衍生發(fā)展出了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性[10]、航空電子設(shè)備完整性[11]和機(jī)械設(shè)備及子系統(tǒng)完整性[12]等，在飛機(jī)功能系統(tǒng)級的完整性上，則有武器系統(tǒng)完整性[13]和推進(jìn)系統(tǒng)完整性[14]的概念。在分析軍用飛機(jī)執(zhí)行并完成使命任務(wù)的基礎(chǔ)上，筆者在參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[15]中提出軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)作戰(zhàn)完整性的概念。再分析民用飛機(jī)的服役使用情況，采用飛機(jī)結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的概念更為合適。

2.2飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的概念與分類

飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的概念如下，即飛行器結(jié)構(gòu)在服役（作戰(zhàn)）使用過程中保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性。服役（作戰(zhàn)）完整性作為飛行器結(jié)構(gòu)的一種屬性，一般又可以分為靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。靜態(tài)屬性反映結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)，而動態(tài)屬性反映結(jié)構(gòu)保持某狀態(tài)的能力。

因此，進(jìn)一步分析，可以將飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性劃分為飛行器結(jié)構(gòu)靜態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性飛行器結(jié)構(gòu)動態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性[4]。

2.3飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的關(guān)鍵問題

事實上，研究飛行器結(jié)構(gòu)的服役（作戰(zhàn)）完整性問題，就必須研究結(jié)構(gòu)在服役（作戰(zhàn)）使用過程中的損傷/失效模式。如果已經(jīng)服役的結(jié)構(gòu)沒有損傷也不發(fā)生失效，那么結(jié)構(gòu)將一直可以正常服役使用。當(dāng)結(jié)構(gòu)有了損傷，往往隨著服役時間的延長，結(jié)構(gòu)的損傷會發(fā)展，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的發(fā)生。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷及失效時，結(jié)構(gòu)的性能會發(fā)生改變，同時也會影響結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性。飛行器結(jié)構(gòu)是能夠承受并傳遞載荷的由一組結(jié)構(gòu)元件組成的系統(tǒng)。飛行器結(jié)構(gòu)的基本性能可以概括為強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、密封性和運(yùn)動性等。飛行器結(jié)構(gòu)的基本特性可以概括為耐久性、安全性、保障性、結(jié)構(gòu)能力（用存活率表示）、生存性、修復(fù)性和環(huán)境適應(yīng)性等。其中，耐久性綜合反映了可靠性和經(jīng)濟(jì)性的影響，保障性包括了維修性與測試性的影響。飛行器結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性屬于服役（適用性）的研究范疇。飛行器結(jié)構(gòu)的損傷/失效模式對飛行器結(jié)構(gòu)的性能和特性的影響以及一些標(biāo)志性事件[16-19]如圖1所示。可以看出，人們對于飛行器結(jié)構(gòu)的損傷/失效模式以及對飛行器結(jié)構(gòu)的性能及特性的影響的認(rèn)識是一個逐步發(fā)展、深入的過程。

因此，飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性就是在服役（作戰(zhàn)）使用過程中，其保持完好且功能未受到削弱的屬性。飛行器結(jié)構(gòu)靜態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性就是飛行器結(jié)構(gòu)在服役（作戰(zhàn)）使用過程中保持完好且功能未受到削弱的狀態(tài)。飛行器結(jié)構(gòu)動態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性就是飛行器結(jié)構(gòu)在服役（作戰(zhàn)）使用過程中其保持完好且功能未受到削弱的能力。在考慮飛行器結(jié)構(gòu)在服役（作戰(zhàn)）使用過程中的通用質(zhì)量特性要求的情況下，飛行器結(jié)構(gòu)動態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性又可以表述為：飛行器結(jié)構(gòu)在服役（作戰(zhàn)）使用過程中，在要求的耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性和修復(fù)性水平下，飛行器結(jié)構(gòu)保持完好及功能未受削弱的能力。飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性反映的是飛行器結(jié)構(gòu)在作服役（作戰(zhàn)）使用過程中的綜合質(zhì)量特性。

2.4飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性的區(qū)別

飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性[7-8]的概念是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)在要求的安全性、結(jié)構(gòu)能力、耐久性和保障性水平下保持完好及功能不受到削弱的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)完整性包含影響飛機(jī)安全使用和成本費用的機(jī)體強(qiáng)度、剛度、耐久性、損傷容限和功能等所有飛機(jī)結(jié)構(gòu)特性。顯然，這一概念也可適用于其他飛行器結(jié)構(gòu)的完整性。從字面上看，飛行器結(jié)構(gòu)完整性的研究內(nèi)涵應(yīng)該更廣。飛行器結(jié)構(gòu)的全壽命周期可以劃分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)制造、結(jié)構(gòu)儲存、結(jié)構(gòu)使用等階段。飛行器結(jié)構(gòu)完整性是在設(shè)計中賦予、在制造中實現(xiàn)、在儲存中維持、在使用中維持及增長。飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性是飛行器結(jié)構(gòu)完整性在飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）使用過程中的體現(xiàn)。相應(yīng)地，飛行器結(jié)構(gòu)完整性在結(jié)構(gòu)制造階段的體現(xiàn)可以稱為飛行器結(jié)構(gòu)制造完整性，是結(jié)構(gòu)在制造過程中實現(xiàn)完整及規(guī)定功能特性的屬性；飛行器結(jié)構(gòu)完整性在結(jié)構(gòu)儲存階段的體現(xiàn)可以稱為飛行器結(jié)構(gòu)儲存完整性，是結(jié)構(gòu)在儲存過程中保持完好及功能不退化的屬性。

另一方面，傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)完整性的概念是從飛行器結(jié)構(gòu)在正常使用情況下的失效故障中發(fā)展起來的，重點關(guān)注結(jié)構(gòu)的安全性、結(jié)構(gòu)能力、耐久性和保障性等通用質(zhì)量特性問題，其沒有考慮飛行器結(jié)構(gòu)在使用中的意外損傷、戰(zhàn)傷等情況。盡管現(xiàn)在結(jié)構(gòu)耐久性在概念內(nèi)涵上有所拓展，但從其度量參量——耐久性壽命就可以看出，它主要還是針對結(jié)構(gòu)的正常使用情況。對于軍用飛行器，可以認(rèn)為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性僅能保證飛行器在執(zhí)行任務(wù)開始時是完好的。而飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性是從飛行器結(jié)構(gòu)在整個服役（作戰(zhàn)）使用過程中執(zhí)行并完成功能任務(wù)的角度來研究的。其不僅考慮了結(jié)構(gòu)在正常使用情況下的失效故障問題，還考慮了結(jié)構(gòu)在執(zhí)行并完成任務(wù)過程中的意外損傷、戰(zhàn)傷以及結(jié)構(gòu)的快速、經(jīng)濟(jì)修復(fù)等問題。

顯然，即使傳統(tǒng)意義的結(jié)構(gòu)完整性得到滿足及維持，也不能保證飛行器結(jié)構(gòu)在其服役（作戰(zhàn)）使用過程中順利執(zhí)行并完成功能任務(wù)。飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性不論是從研究角度還是研究內(nèi)涵上都要較傳統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)完整性要廣泛，也更具有工程現(xiàn)實意義。

2.5飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的表征

依據(jù)結(jié)構(gòu)的健康度的不同可以將結(jié)構(gòu)的狀態(tài)劃分為健康、亞健康與不健康三類。結(jié)構(gòu)在健康狀態(tài)時，不需要做任何工作，其可以正常運(yùn)行。結(jié)構(gòu)在亞健康狀態(tài)時，其也可以正常運(yùn)行，但需要做維修預(yù)案并密切監(jiān)控結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)構(gòu)在不健康狀態(tài)時，其需要立即做維修工作以恢復(fù)其健康狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于健康和亞健康狀態(tài)時，可以認(rèn)為其處于完好狀態(tài)（或可以正常工作狀態(tài)）。對于要求嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)，也可以只認(rèn)為結(jié)構(gòu)在健康狀態(tài)時才處于完好狀態(tài)（或可以正常工作狀態(tài)）。因此，在結(jié)構(gòu)服役中的某個時刻，依據(jù)結(jié)構(gòu)的健康度數(shù)據(jù)就可以計算出結(jié)構(gòu)的完好率。也就是說，結(jié)構(gòu)完好率與結(jié)構(gòu)健康度是不同的表征方法，但在本質(zhì)上是相通的。

3飛行器結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計分析的新要求

從上述飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性涉及結(jié)構(gòu)的耐久性、保障性、安全性、結(jié)構(gòu)能力、生存性和修復(fù)性等特性看，結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性符合“木桶原理”，要提高結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性，必須從結(jié)構(gòu)的耐久性、保障性、安全性、結(jié)構(gòu)能力、生存性和修復(fù)性等這些方面開展綜合、系統(tǒng)的研究提升，對結(jié)構(gòu)耐久性、保障性、安全性、結(jié)構(gòu)能力、生存性和修復(fù)性等進(jìn)行綜合權(quán)衡設(shè)計，才能使得結(jié)構(gòu)作戰(zhàn)完整度Iso最優(yōu)。目前，針對飛行器的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)研究工作相對來說比較充分，但對于飛行器的意外損傷/戰(zhàn)傷結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)研究較少。簡單分析，需要開展的研究工作見表1。

疲勞斷裂破壞是飛行器結(jié)構(gòu)的常見破壞模式。從提升飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的角度，必然對結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計、分析的方法提出了新要求。例如，意外損傷/戰(zhàn)傷后和修復(fù)后的飛行器結(jié)構(gòu)的傳力分析和結(jié)構(gòu)斷裂強(qiáng)度的評估等用傳統(tǒng)方法就不一定適用，必須發(fā)展精度更高的新方法。針對飛行器的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、意外損傷/戰(zhàn)傷結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)，在疲勞斷裂設(shè)計分析方面需要開展的工作見表2。

4飛行器結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計分析發(fā)展需求示例

上述從飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的要求出發(fā)，對飛行器結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂設(shè)計、分析工作的一些新需求進(jìn)行了概要總結(jié)分析。

4.1模塊化新型結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂設(shè)計、分析

在以前的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于可靠性、耐久性的要求，整體結(jié)構(gòu)被大量采用。由于減少了連接部位，使得結(jié)構(gòu)的疲勞危險部位大量減少，從而提高了結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性和使用耐久性水平。但是，整體結(jié)構(gòu)也有明顯的不足，即出現(xiàn)裂紋后的止裂性能不好。對于機(jī)翼等封閉部件，整體結(jié)構(gòu)的采用將使得結(jié)構(gòu)的開敞性不好，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生意外損傷或者戰(zhàn)傷后，結(jié)構(gòu)很難快速、經(jīng)濟(jì)修復(fù)，結(jié)構(gòu)的修復(fù)性不好。

從修復(fù)性角度，模塊化新型組合結(jié)構(gòu)將是最好的選擇。一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生意外損傷或者戰(zhàn)傷，只需要更換損傷模塊即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)。從飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的要求出發(fā)，可靠性、修復(fù)性等結(jié)構(gòu)特性應(yīng)該綜合權(quán)衡設(shè)計。

然而，對于模塊化新型組合結(jié)構(gòu)，由于連接方式的不同，疲勞斷裂的模式也會不同，其疲勞壽命的預(yù)測模型也會不同，含裂紋結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度預(yù)測模型也不會相同。這些都是需要開展的新工作。

4.2意外損傷/戰(zhàn)傷后和修復(fù)后的結(jié)構(gòu)傳力分析和斷裂強(qiáng)度評估

在服役（作戰(zhàn)）使用過程中，飛行器結(jié)構(gòu)的意外損傷/戰(zhàn)傷是不可避免的。由于這些損傷往往存在損傷不規(guī)則、損傷部位不確定、損傷源廣布等特點，使得意外損傷/戰(zhàn)傷后和修復(fù)后的結(jié)構(gòu)傳力分析和斷裂強(qiáng)度評估等都不能沿用現(xiàn)有的常規(guī)損傷結(jié)構(gòu)的方法，必須發(fā)展?jié)M足精度要求的新評估分析模型與方法。

例如，戰(zhàn)傷結(jié)構(gòu)的斷裂強(qiáng)度評估問題。通常，戰(zhàn)傷結(jié)構(gòu)的部位不確定，損傷形貌復(fù)雜。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)斷裂剩余強(qiáng)度評估方法與模型不一定適用。另外，在對損傷不嚴(yán)重的意外損傷/戰(zhàn)傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)時一般采用原位加強(qiáng)的方法。這種修理方法將使得結(jié)構(gòu)的剛度特性以及傳力路線發(fā)生變化，導(dǎo)致原來不危險的部位變化為危險部位，甚至增加一些新的危險部位。還有修復(fù)結(jié)構(gòu)新舊不同部分的損傷分析等，這些都需要開展相應(yīng)的工作。

4.3戰(zhàn)時軍用飛行器最低放飛標(biāo)準(zhǔn)的制定

在作戰(zhàn)階段，軍用飛行器的結(jié)構(gòu)難免會遭受戰(zhàn)斗損傷。但由于戰(zhàn)時時間的緊迫性以及戰(zhàn)斗任務(wù)的需要，往往有些帶傷的飛行器在得不到修復(fù)的情況下就要立即再次投入戰(zhàn)斗。這時就有一個飛行器最低放飛標(biāo)準(zhǔn)的制定問題。什么樣的結(jié)構(gòu)損傷可以不修復(fù)或者簡單修復(fù)就可以立即去執(zhí)行某項作戰(zhàn)任務(wù)？什么樣的結(jié)構(gòu)損傷必須修復(fù)或者修復(fù)到某種程度才可以去執(zhí)行某項作戰(zhàn)任務(wù)？這些都需要發(fā)展新的分析模型和方法來處理。

5結(jié)論

通過研究分析，本文可以得到以下幾點結(jié)論。

（1）飛行器在服役使用過程中，其服役（作戰(zhàn)）完整性、服役（作戰(zhàn)）適用性和服役（作戰(zhàn)）效能構(gòu)成了飛行器三個重要的頂層基本屬性，以反映飛行器在服役過程中是否“能用”“好用”“管用”的程度。飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性是飛行器在服役（作戰(zhàn)）使用過程中保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性，是飛行器綜合質(zhì)量特性的反映，又是由結(jié)構(gòu)等各系統(tǒng)的服役（作戰(zhàn)）完整性決定的。

（2）在介紹飛行器服役（作戰(zhàn)）完整性、飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹了飛行器結(jié)構(gòu)靜態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性和動態(tài)服役（作戰(zhàn)）完整性的概念和表征方法，明確了飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性符合“木桶原理”。

（3）從飛行器結(jié)構(gòu)服役（作戰(zhàn)）完整性的需要出發(fā)，初步闡述了飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計分析需要加強(qiáng)的工作以及飛行器結(jié)構(gòu)疲勞斷裂設(shè)計、分析方面的新要求。

（4）作為示例，對模塊化新型結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂設(shè)計/分析、意外損傷/戰(zhàn)傷和修復(fù)后的結(jié)構(gòu)傳力分析和斷裂強(qiáng)度評估以及戰(zhàn)時軍用飛行器最低放飛標(biāo)準(zhǔn)的制定等需要開展的工作進(jìn)行了分析。

本文涉及的只是初步的工作，這方面的細(xì)致工作還有待在未來開展。本文得到的一些有益的結(jié)論可以為飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的更新及飛行器服役（作戰(zhàn)）使用策略的制定提供有益的參考。同時，相關(guān)結(jié)論對于其他裝備及結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析也具有一定的參考價值。

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New Requirements of Structural Fatigue & Fracture Design and Analysis Based on Aircraft Operational Integrity

He Yuting

Aeronautics Engineering College，Air Force Engineering University，Xian 710038，China

Abstract： The operational integrity， operational suitability and operational effectiveness of aircraft constitute the three top basic attributes of aircraft. And they are used to respectively reflect the levels of "integrity"， "suitability" and"effectiveness" of aircraft in the operational processes. Aircraft operational integrity is the attribute which exists when aircraft is sound （or work normally） and unimpaired in its operational processes. It is the reflection of the comprehensive quality characteristics of aircraft， and it is determined by the operational integrity of various systems such as structure system， propulsion system， flight control system and so on. This paper introduces aircraft operational integrity and aircraft structural operational integrity firstly. Based on that， this paper further introduces the concepts and characterization methods of aircraft structural static operational integrity and aircraft structural dynamic operational integrity. Also， it is cleare that aircraft structural operational integrity complies with the "cask principle". According to the requirements of aircraft structural operational integrity， the work to be strengthened in aircraft structure design as well as the new requirements in the design and analysis of fatigue & fracture of aircraft structures are discussed. Finally， as examples， the requirements of fatigue & fracture design as well as analysis methods of some new modular structures， the force transferring route analyses and fracture strength assessment as well as repair methods of aircraft structures with accidental damages or battle damages， and the formulation of the lowest flight standards for military aircraft in wartime are briefly analyzed. Some useful conclusions obtained in this paper， which provide useful references for updating the design concepts of aircraft structures and the operations of aircraft in the field.

Key Words： aircraft； operational integrity； structure； fatigue； fracture； design and analysis