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

1、    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)?！娟P(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、振動環(huán)境、抗腐蝕、疲勞壽命、損傷容限、耐久性及結(jié)構(gòu)可

2、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

3、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)

4、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、靜氣彈、動氣彈、伺服彈性、氣動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

5、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

6、使用的振動環(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頻率之間應(yīng)有足夠差值；壁板振動不僅影響振動強(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；在振動環(huán)境下工作的構(gòu)件，盡量選用韌性好，對缺口不太敏感，振動阻尼特性好的材料或結(jié)構(gòu)形式；在振動環(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；控制振動環(huán)境下工作的構(gòu)件和安裝件（比如導(dǎo)管）的應(yīng)力水

7、平和振幅。振動譜與載荷譜不同，一般是高頻且應(yīng)力比較大，與飛行小時(shí)關(guān)系不大，而與激勵源（如發(fā)動機(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

8、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

9、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

10、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

11、）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

12、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

13、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)

14、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?？蛄罕诎迳系拈_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

15、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