飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標(biāo)分析

1、&機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽 叩指標(biāo)刀叫I西北工業(yè)大學(xué)李航航宋筆鋒北京航空工程技術(shù)研究中心李京珊摘要：從現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計思想的發(fā)展演化和確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標(biāo)的重要性分析入手，研究分析了國外多 種戰(zhàn) 斗機(jī)結(jié)構(gòu)使用壽命問題，深入探討了這些戰(zhàn)斗機(jī)在確定機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)時的內(nèi)在因素和實(shí)際方法，提 出了確定 飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)的具體原則和研究結(jié)論。矢鍵詞：結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標(biāo)早期設(shè)計的飛機(jī)并沒有明確的壽命指標(biāo)。到了 20世紀(jì)50年代，人類歷史上第一架 噴氣式旅客機(jī)英國“彗星”號在飛行中，接連發(fā)生爆炸墜海事故，一時引起世界震驚。經(jīng)研究是飛機(jī)氣密座艙因飛行高度變化，不斷受到增壓、減壓循環(huán)作用，導(dǎo)致機(jī)身金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞效應(yīng)而斷裂

2、破 壞所引起的。這說明，按照靜強(qiáng)度、剛度設(shè)計的E機(jī)，并不能保證其使用安全，飛機(jī)設(shè)計中必須考慮安全使用壽 命問題。最初，解決這一問題的指導(dǎo)思想就是采用安全壽命設(shè)計。但是真正采用了安全壽命設(shè)計思想以后，還 是不斷有飛機(jī)出現(xiàn)事故。1969年，美國空軍的一架F-111飛機(jī)機(jī)翼樞軸接頭，在E行訓(xùn)練中突然斷裂，造成機(jī) 毀人亡。當(dāng)時飛機(jī)僅僅用了 100多個總行小時，遠(yuǎn)沒有達(dá)到安全壽命使用期。此后，F(xiàn)-5A、KC-135、F4 等飛機(jī)接連發(fā)生類似事故。進(jìn)一步證明了采用安全壽命思想設(shè)計的飛機(jī)并不能保證在安全期內(nèi)的使用安全。隨著 結(jié)構(gòu)分析、理論研究水平的不斷提高，特別是斷裂力學(xué)理論的應(yīng)用與發(fā)展，人們開始提出了損傷

3、容限設(shè)計思想， 就是在飛機(jī)設(shè)計中采用安全壽命/損傷容限設(shè)計，以保證飛機(jī)在使用壽命周期內(nèi)的使用安全。隨著對飛機(jī)高性 能、長壽命、高可靠性以及完整性要求的不斷提高，飛機(jī)的研制成本和使用維護(hù)費(fèi)用急劇增加。為此又提出了全 壽命周期費(fèi)用概念，并在飛機(jī)設(shè)計階段就采取有效措施以降低E機(jī)的全壽命周期費(fèi)用。因此，在飛機(jī)設(shè)計和使用中采用了經(jīng)濟(jì)壽命概念，從而形成了耐久性設(shè)計思想。通過飛機(jī)設(shè)計思想的不斷變化，不僅提高了飛機(jī)的使用安全性，大大降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，同時也提高 了 E機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性。特別是耐久性/損傷容限設(shè)計思想提高了飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析的精確性，降低了結(jié)構(gòu)壽命的分 散性，提高了 E機(jī)服役期間的安全性和可靠性，使

4、得現(xiàn)代飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)得以大幅提高。一、飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)研究的意義飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命是衡量飛機(jī)平臺設(shè)計技術(shù)水平和使用經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)重量系數(shù)低、飛行小 時和使用年限長的飛機(jī)不僅服役時間長，出勤率高，而且具有更好的技術(shù)性能和使用經(jīng)濟(jì)性能。因此實(shí)現(xiàn)低結(jié)構(gòu) 重量系數(shù)、高飛行小時和長使用年限是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)不斷追求的技術(shù)目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是要靠飛機(jī)的安全 壽命/破損安全設(shè)計、安全壽命/損傷容限設(shè)計和耐久性/損傷容限設(shè)計等先進(jìn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想來保證的。過去，戰(zhàn)斗機(jī)的安全壽命只有10002000飛行小時，20世紀(jì)70年代提高到了30004000飛行小時，80年代后期達(dá)到了 60008000飛

5、行小時。對于大型運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)，甚至達(dá)到了幾 萬飛行小時。飛機(jī)的日歷使用時間也從10年、15年、20年提高到了30年。在飛機(jī)使用壽命不斷提高的同時，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)則不斷降低，使飛機(jī)的有效載重增加，性能不斷擴(kuò) 大。隨著飛機(jī)性能的不斷提高，飛機(jī)采購成本增大。為保證飛機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性，就需要不斷提高飛機(jī)的使用壽 命，而過高的使用壽命又會對飛機(jī)的使用安全構(gòu)成威脅，因此，科學(xué)合理的確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命就非常重要。二、國外飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標(biāo)分析I? uiv u rr j_| i p 八】 hp j r rj j r j 7 jj /ir飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)。重量系數(shù)主要保證飛機(jī)的技術(shù)性能，結(jié)構(gòu)壽命則體

6、現(xiàn)飛機(jī)的使用年限和飛行強(qiáng)度。重量 系數(shù)和結(jié)構(gòu)壽命具有相 互制約、相互影響的作用。隨著飛機(jī)載油量、載彈量的增加，飛機(jī) 結(jié)構(gòu)在全機(jī)重量中的比例必須得到有效 控 制，否則，飛機(jī)性能難以保證。同時，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)高的飛機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性也會較差。國外第三代戰(zhàn)斗機(jī)雖已達(dá)到8000小時的結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)，但是飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)卻超過了 30%，在第四 代戰(zhàn)斗機(jī)上的結(jié)構(gòu)壽命雖仍舊是8000小時，但飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)卻降低到了 27.8%，因此飛機(jī)的載油量、 載彈量增加，性能得到大幅提高。飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)和機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)的提高會受到一定的限制，這些限制主要是當(dāng)時本國的技術(shù)實(shí)力和使用需求。在具體指標(biāo)確定時可以通過權(quán)衡，用

7、規(guī)范或技術(shù)要求的形式提出。當(dāng)然，由于不 同國家的技術(shù)實(shí)力和使用需求不同，在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)的要求上也會有一定差異。如俄羅斯、英國、法 國等對飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)給出的壽命就相對于美國偏低。上表列舉了國外一些三代以前戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命情況。從上表中我們可以得出以下結(jié)論：(1 ) 20世紀(jì)80年代以前，國外戰(zhàn)斗機(jī)的使用壽命基本上為3000-4000飛行小時。80年代以后，戰(zhàn)斗機(jī)的使用壽命增加到6000-8000飛行小時。(2 )飛機(jī)的飛行小時使用壽命與裝備時間之間并不是線性矢系，而是一種階梯形遞增矢系。(3 )飛機(jī)的飛行小時壽命大多不是一次給出，而是分階段給出的。(4 )不同國家的戰(zhàn)斗機(jī)的使用飛行小時

8、差別較大。如美國在80年代以后，飛行小時基本上都按照8000小時設(shè)計，而英、法國等國家飛機(jī)的飛行小時只有5000-6000小時。國外第四代戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標(biāo)分析國外第四代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)壽命也采用分階段給出的方法。如美 國的，最初驗證機(jī)型(丫匚22 )的結(jié)構(gòu)壽命只有6000飛行小時，到后來定型狀態(tài)才給出8000飛行小時。俄羅斯 的米格1.44和C-37的結(jié)構(gòu)壽命雖然不詳，但從俄羅斯飛機(jī)的一貫做法分析，也會是分 階段逐步延長給出。形成戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)差別的主要因素分析(1 )飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命決定于多種技術(shù)因素，只有相尖技術(shù)都有所發(fā)展，才能為提高飛機(jī)壽命提供支撐，任何單 一技術(shù)發(fā)展并不能明顯提高飛機(jī)

9、的機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命。所以提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命往往需要較長的周期。而這種提高總是 呈現(xiàn)一種階梯形遞增尖系。飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命最終是要靠全機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗和飛機(jī)裝備以后的實(shí)際使用情況來決定。在飛機(jī)設(shè)計之初，往往只能根據(jù)以往機(jī)型經(jīng)驗和理論計算預(yù)估(如疲勞壽命預(yù)估等)，很難精確給出可信的新機(jī)壽命指標(biāo)。因此，國內(nèi)外對飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命都不是完全依靠理論分析和經(jīng)驗給出，而是在試驗與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上分 階段給出。在新技術(shù)發(fā)展成熟以后，要達(dá)到飛機(jī)設(shè)計壽命的提高，必須要有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范來保證。美國在20世紀(jì)70年代以前采用的是1960年頒布的MIL-A-8866標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的 壽命設(shè)計要求為3000-4000小時。到了

10、 80年代以后，美軍開始采用MIL - A - 1530標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對飛機(jī)結(jié) 構(gòu)壽命指標(biāo)則提出了 60008000飛行小時。飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)是一個綜合性指標(biāo)，它不僅包括飛行小時和使用日歷年限，還包括飛行起落次數(shù)，同時飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命與飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)也密不可分。因此確定飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)壽命時必須將這些因素綜合考慮。任何只強(qiáng)調(diào)某一單項指標(biāo)的做法都是不科學(xué)的。不同國家的航空技術(shù)水平不同，飛機(jī)設(shè)計采用的材料不同，設(shè)計技術(shù)不同，設(shè)計準(zhǔn)則不同，對飛機(jī) 的使 用強(qiáng)度要求不同，因此對結(jié)構(gòu)壽命的要求也就會不同。設(shè)計觀念上的差異美國在飛機(jī)設(shè)計技術(shù)上，基礎(chǔ)好、創(chuàng)新性強(qiáng)，觀念新，對飛機(jī)壽命的理解和把握比較超前，一些新的

11、設(shè)計思想、新的設(shè)計理念往往首先被采用，因此飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命要求較高且技術(shù)上能夠達(dá)到，從飛機(jī)的使用來看，雖采用8000飛行小時壽命還是不能滿足軍方的使用需求。而俄羅斯、英國、法國等則比較保守。如法國的幻影2000飛機(jī)只給出了5000飛行小時壽命。三、確定E機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命指標(biāo)的基本原則飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命并非越高越好。過分強(qiáng)調(diào)飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命要求，必然會對飛機(jī)的技術(shù)性能產(chǎn)生影響，同時也會 提高飛機(jī)的生產(chǎn)成本。因此，確定飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命應(yīng)從需求和可能兩個方面權(quán)衡。具體原則如下：(1 )充分考慮裝備需求，適應(yīng)未來的作戰(zhàn)、訓(xùn)練要求隨著裝備訓(xùn)練體制改革，戰(zhàn)斗機(jī)的飛行訓(xùn)練更加貼近實(shí)戰(zhàn)，戰(zhàn)斗機(jī)的飛行訓(xùn)練強(qiáng)度和難度越來越大，所

12、以 不能簡單地以現(xiàn)有飛行訓(xùn)練情況來規(guī)劃20年以后的飛行情況，應(yīng)有一定的超前性和預(yù)見性，以保證裝備服役以后能夠滿足未來的作戰(zhàn)、訓(xùn)練要求。(2)立足國內(nèi)技術(shù)水平，保證技術(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性飛機(jī)技術(shù)指標(biāo)是航空技術(shù)實(shí)力的綜合體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)高的技術(shù) 指標(biāo)必須要有先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)。美國之所以能夠采用領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)就是因為有先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)為依據(jù)，否則任 何高指標(biāo)只能是空談。國內(nèi)航空技術(shù)水平與國外有差距，因此在確定指標(biāo)時就應(yīng)有所考慮。只有結(jié)合國內(nèi)技術(shù) 水平，提出一種既先進(jìn)又合理，也能夠?qū)崿F(xiàn)的科學(xué)指標(biāo)體系，才能對國內(nèi)航空技術(shù)發(fā)展和提高新裝備的使用起到促進(jìn)作用。(3 )既要有繼承性，又要有一定的技術(shù)超前性飛機(jī)的研制往往要比其

13、裝備部隊早十幾年，甚至二十年。如果在飛機(jī)研制時提出的壽命指標(biāo)沒有技術(shù)超前 性，會在裝備服役以后，很快就暴露出相應(yīng)的問題。航空技術(shù)發(fā)達(dá)國家在飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)確定中都充分考慮到了指標(biāo)上的繼承性和技術(shù)上的超前性。美國對第三代戰(zhàn)斗機(jī)指標(biāo)最初就是確定為4000飛行小時，后來又增加為6000和8000飛行小時。對四代機(jī)則一開始用6000飛行小時，后來又提出8000飛行小時，這都說明在確定指標(biāo)時必須考慮技 術(shù)的延續(xù)與繼承。而結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，則不斷降低，以保證飛機(jī)性能的持續(xù)提高。 (4 )綜合權(quán)衡，使各項指標(biāo)協(xié)調(diào)、匹配飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)不僅僅只是飛行小時問題，它還包括日歷壽命、起落次數(shù)等，這些指標(biāo)受飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量

14、系數(shù)的制約。確定飛機(jī)的結(jié)構(gòu)壽命指標(biāo)必須以保證一定的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為前提(如對于第四代戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)重量系 數(shù)就是27% 28% )。如果不考慮飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，只提E機(jī)的壽命指標(biāo)，會大大影響飛機(jī)的總體技術(shù)性 能，另外，飛機(jī)的飛行小時、日歷壽命和起落次數(shù)不協(xié)調(diào)、匹配，也會給飛機(jī)使用帶來問題。I入 I、J l-L- JIH Jr/U M I7 uI I p 八】 HP J-l 1/J、|_L/ I L I r/ u|_L二,構(gòu)壽命時可以” 一步論證、分步實(shí)施“。即論證階段暫時給出一個目標(biāo)值或目標(biāo)值范圍，然后根據(jù)飛機(jī) 的立 項研制時間、預(yù)計裝備使用時間，同時結(jié)合本國航空技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而確定出具體的階 段目標(biāo)， 以達(dá)到所確定的技術(shù)指標(biāo)既能實(shí)現(xiàn)，又能體現(xiàn)總體目標(biāo)的先進(jìn)性。四、結(jié)論飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的三項技術(shù)指標(biāo)既密不可分，又有一定的矛盾性，同時還受到飛機(jī)的結(jié) 構(gòu)重量系數(shù)的制 約，因此必須綜合考慮。如高的結(jié)構(gòu)使用飛行小時要求飛機(jī)具有較好的 抗疲勞設(shè)計、較低的使用應(yīng)力水 平等; 低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)則需要大量采用新材料，合理控制飛機(jī)的使用應(yīng)力；長的日歷年限則需要較好 的結(jié)構(gòu)抗腐蝕 控制技術(shù)和抗腐蝕材料的應(yīng)用等。這些要求往往是矛盾的，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)折中。參考文獻(xiàn)王寶忠分冊主編飛機(jī)設(shè)計手冊第10冊：結(jié)構(gòu)設(shè)計北京：航空工業(yè)出版社，2000.42 43陶梅貞，孫秦，宋筆鋒，等現(xiàn)代飛機(jī)