飞机强度设计思想的演变概述

秦恒飞

【摘 要】本文简要从飞机设计的方案论证，打样设计，详细设计，产品试制和设计定型及批生产等阶段介绍强度设计的工作特点，逐步分析在每个阶段，强度设计的深度和工作内容，继而简述强度设计思想的演变及设计规范，并针对在强度设计工作中如何使用设计规范提出了几点建议，对飞机强度设计工作具有一定的指导作用。

【关键词】强度设计思想；强度设计规范；演变

由于飞机是需要重复使用的载人航空器，既要求重量轻，又要求结构强度好，可靠性高。强度设计实际上就是解决这一矛盾的主要手段。这就是与其它行业相比，强度设计在航空系统中地位比较突出的原因。

飞机设计一般分为方案论证，打样设计，详细设计，产品试制和设计定型及批生产。在每个阶段，强度专业介入的深度和所肩负的工作都不同。

1 强度设计各阶段概述

1.1 方案论证阶段

一种新飞机（包括改型机）的研制任务来源一般有两种形式：一是，与用户签订研制合同；一种是，根据市场需要自担风险进行的开发。无论哪一种形式，都需确定技术指标。所谓技术指标，就是指设计定位在国际国内何种先进技术水平，比如航电、设备配置、发动机选型、使用的规范、标准等。

在此阶段，强度设计师的主要工作是对总方案和各子方案给予强度方面的支持，比如根据技术指标中确定的飞机重量，过载及飞机外形与结构专业一起判断结构空间及主要承力构件的排布意向。编写《飞机强度设计要求》，该文件的主要内容一般为选用的强度规范和标准；几个重要的飞机重量；强度飞行包线；过载包线；低空大表速值；外挂物等的限制使用；寿命指标等。

1.2 打样设计阶段

在这个阶段，结构专业要进行主要承力构件的排布，形成结构要素图，完成各系统与结构的协调。

协调过程说到底是总体，系统和结构“争夺”空间和部位，强度专业在此阶段的工作比较繁杂，一方面参与配合的强度设计员应从刚度、强度、疲劳各方面就结构和系统支承部件能否满足要求对各方案发表自己的意见，必要时要进行估算或论证。另一方面要建立起整体结构有限元模型。但是这时的许多结构细节尺寸并不都是确定的，因此，模型可能面临着多轮修改的问题，这要求强度设计员时时跟踪结构和系统设计的状态，并且要有耐心，经常向结构专业给出强度对结构和选材的修改反馈意见。

1.3 详细设计阶段

经过粗打样设计阶段的协调和结构、系统设计，结构转入详细设计阶段，在这阶段，结构要完成结构的生产图样。强度专业的工作全面转入校核计算和静力试验。

1.4 产品试制阶段

这阶段的重要目的不言而喻是为了生产出供飞行试验，静力试验的飞机和零组件。设计与工艺、工装夹具等是否存在不协调，不配套等矛盾必定要相继反映出来。因此，结构图可能还要作某些适应性修改。强度专业要进行配合。另一方面，产品正在进行试制，不可避免要出现故障处理。

要进行全机静力试验的飞机在这阶段要按静力试验大纲的配套要求，完成交付给试验部门。强度专业应按照静力试验大纲中的有关状态追踪。特别要注意有些车间将超差零件都往这架飞机上集中的现象。

1.5 设计定型批生产阶段

这阶段强度专业要按照设计定型的程序要求编制定型评审文件、批生产抽检的静力试验文件，并且要着手准备疲劳定寿。一般情况下，强度专业可以利用这段时间进行总结提高和完善文件档案。

当然，批生产的配合是强度专业的日常事务。设计定型是对设计质量高低，工艺可达性甚至于性能价格比的一次全面检查。

这时的批生产实际上是小批生产，在这阶段进一步完善工艺规程，稳定成附件，材料等供应渠道和质量，充分暴露问题和解决问题，为下一步的生产定型作准备。

2 飞机强度设计思想的演变

强度设计要形成一套体系或者思想，是在前人进行了大量的研究和探索，并且受当时工业发展，理论水平的制约形成的。由于强度设计在飞机设计中的特殊地位，飞机强度设计思想的形成远比其它行业来得及时，其发展并形成体系无论深度还是规范化都是其它行业无法比拟的。

一般说来，飞机强度设计思想分为以下几个演变阶段。

2.1 静强度设计思想

结构在给定的设计载荷下，不发生静力破坏，在使用载荷下不发生可见的永久变形。这是对静强度设计思想的一般定义。并且认为只要满足了这一标准，就认为是安全的。这里面涉及到几个问题：一是，设计载荷与使用载荷的关系，也就安全系数取多大。大家知道，安全系数在不同的行业有不同的取法，满足静强度设计思想的要求，也能保证结构的安全。第二个是，这种“安全”能维持多久，即结构的使用寿命并未能在这种思想中反映。因为用安全系数保证的这种安全是在静力载荷作用下的安全，在与时间有关的交变载荷作用下，材料的性态是与静载作用下不同的。

2.2 安全寿命设计思想

这是一种20世纪50年代后期发展起来的思想。这时已经知道，足够的静强度不能保证结构在交变载荷作用下维持足够久的安全。于是在这一设计思想中给出结构的安全寿命，也就是无裂纹寿命，这种思想无疑是对静强度设计思想的一次革命。但是我们知道材料本身和制造过程中都会留下缺陷，裂纹是客观存在的。因此就造成了所谓安全寿命不安全的问题。

我们平时进行的寿命估算得出的值实际上就是无裂纹寿命或裂纹形成寿命。

2.3 破损安全设计思想

承认飞机结构的材料和制造都存在缺陷。而且飞机在使用历程中也会出现裂纹。破损安全设计思想要求飞机结构在带有这些损伤和裂纹的情况下仍能承受规定的外载荷并能“安全”地承受一段时间直到下一次维修时发现这些裂纹并将之修复。

这种思想对工程技术提出了比安全寿命设计思想高得多的要求，首先要有足够的检测技术来发现这些裂纹，第二是要知道在一定尺度的初始裂纹和规定的外载荷作用下，经历多长时间还能在安全范围内。

我们平时所说的临界裂纹长度，裂纹扩展寿命等都是这一思想常用的术语。

2.4 损伤容限设计思想

这是在破损安全寿命设计思想基础上提出的。既然结构上裂纹是客观存在的，使用过程中还会产生裂纹，而且裂纹还会扩展，损伤容限设计思想就是如何利用当前的技术水平使结构达到阻止裂纹扩展，延缓裂纹扩展，甚至利用多通道传力途径达到一部分结构失去传载能力另一部分仍能保证结构安全承载。

我们平时所用的止裂措施，多层结构，用裂纹扩展速率来判断结构的“好坏”等都是这一思想的产物。在全机疲劳寿命试验完成了规定的试验指标后所进行的剩余强度试验，实际上也是对飞机结构损伤容限能力的检验。

2.5 耐久性损伤容限设计思想

破损安全设计思想与损伤容限设计思想都允许对结构进行修理，保证飞机结构在使用寿命期（裂纹形成寿命+修理寿命）内，不因疲劳、腐蚀、意外损伤等造成灾难性事故，即要保证有良好的疲劳寿命特性。但是修理所得到的收益和修理所付出的代价之间应当有个权衡值。也就是说在保证结构具有良好寿命特性的同时还应当有良好的维修经济性，这就是耐久性的要求，在此同时用损伤容限保证飞机结构的安全。

除了维修经济性以外，由于维修带来的对飞机出勤率的影响是经济性的另一层含义。

3 强度设计规范及使用

规范是指导性文件，然而规范不是法律，是可以选择性执行的，但是一旦选定必须执行。强度设计规范是通用规范，是对飞机结构设计、分析、试验中要满足的基本要求提出的普遍性原则。在具体飞机，不同部件的设计分析，试验中如果还有更为具体的规范和标准则应按它们来执行。我国1975年颁布的《飞机设计强度规范（试用本）》一直还在引用，它对应的是原苏联1956年规范，俄罗斯也分别在1964年、1978年、1993年多次更新强度和刚度规范，但由于保密，我们得不到。

而强度设计在使用强度设计规范要解决的主要有以下几个方面：

3.1 检查设计、分析、试验项目和内容的完整性

由于强度设计规范是在前人大量设计经验和教训的基础上集中了国家各方面的飞机设计专业人才编制而成的，因此它的内容很全面，提供的数据和方法大都经过多年的使用考核和试验支持，因此，利用规范来检查我们在设计、分析、计算和试验工作中所选取的项目和内容是否完整是非常必要的。

比如载荷工况的选取是否涵盖了飞机结构所有的严重受载情况；部件载荷是否考虑了使用中特殊要求；计算和试验内容中是否考虑了环境因素；设备、系统等对结构的特殊要求是否得到满足；试验项目和试验程序中是否有遗漏；强度文件的编写内容和格式是否符合规范要求等。

3.2 检查计算、分析、设计和试验内容中参数的选取是否合理

在规范中，主要的参数都给出了确定值或取值范围。在确定参数的取值时，应首先满足规范要求，如果有不同取值，应有充分论证并经总设计师批准。

3.3 检查分析、计算和试验状态的选取是否满足规定和要求

在结构分析、计算和试验中状态的选取至关重要。状态的检查应在全面消化规范中相关内容后逐项进行。因此，主管设计员应对自己负责的部分规范中的要求有充分了解，对舍去的状态应有说明。

这里说的状态一般包括：结构受载姿态；载荷所对应的飞行参数及载荷来源（比如操纵系统和操纵舵面的载荷是从铰链力矩产生还是由座舱内操纵杆等施加的载荷产生等）；结构连接处的安装情况；总体受载状态和局部受载状态；是否需要考虑特殊要求等。

4 总结语

本文简要从飞机设计的方案论证，打样设计，详细设计，产品试制和设计定型及批生产等阶段介绍强度设计的工作特点，逐步分析在每个阶段，强度设计的深度和工作内容，继而简述强度设计思想的演变及设计规范，并针对在强度设计工作中如何使用设计规范提出了几点建议，对飞机强度设计工作具有一定的指导作用。

[责任编辑：杨玉洁]