飞机结构的耐久性与损伤容限设计

王子龙 邢萌

摘  要：今天，随着技术不断创新，航空技术日新月异，飞机结构设计更加多样化。航空是军民运输的重要手段。随着航空技术的迅速发展，其结构设计从静态力从驱动力转变为断裂力。目前，以耐用度和耐损伤性为基础的飞机结构设计是基本设计方法。在飞机结构设计中，耐久性和耐受性必须相互协调、相辅相成，以促进提高飞机结构的性能、经济性和安全性。本文将分析结构耐久性和飞机损伤容限设计的具体要素，并对设计要素进行深入探讨和思考。

关键词：飞机结构设计;耐久性;损伤容限

前言

目前，通过持续的实验分析和积累以往的数据，已经制定了一种新的结构性的飞机承受能力和可持续性概念，国际航空公司也根据具体数据分析制定了标准和准则。损伤容差分析和全寿命分析的设计方法继承了以前的設计方法。通过不断的发展和实践，我们现在有了一个全面的设计系统，具有技术传播和发展的不可估量的前景。

一、耐久性和损伤容限设计概论

飞机结构的耐久性是飞机结构稳定性、安全性和可靠性的表现，以及飞机在飞行期间抵抗疲劳、裂纹、腐蚀和意外损伤的能力。一般而言，如果飞机在正常飞行期间性能和功能下降或受损，这意味着飞机的功能损伤包括结构部件明显缺乏刚性、可控制范围缩小、装卸率降低、油箱漏油等。飞机寿命的另一个重要意义是其经济寿命。经济寿命不同于安全寿命，即所有功能在飞机有效运行期间保持良好状态，没有故障或性能下降。飞机的制造不一定是完美的，但太多的缺陷可能会影响飞机的性能和运行。适当的损伤容限可以帮助飞机减少因内部故障对性能造成的损伤，但在载荷力的持续作用下，故障和损伤可能会逐渐扩大和扩大到超出损伤容限范围，造成严重损伤，甚至影响飞机的使用因此，有必要定期检查飞机，并在损伤容限范围内修复飞机的结构缺陷，以确保飞机的寿命不会受到损伤。总之，损伤容限是保持飞机结构稳定的损伤安全限度，现已成为飞机设计建设的主要思路。

二、耐久性设计与损伤容限设计之间的关系

断裂力学是飞机结构耐久性和耐损伤性设计的基本理论，设计以飞机设计技术为基础，工程以无损检测技术为基础，质量控制和过程监控是基本实践。但是，应当指出，在设计飞机结构时，飞机必须完全符合强度和刚度设计标准，提高飞机的疲劳强度，延长经济寿命，降低维修费用。可持续设计是优化设备结构、延长其使用寿命和保持良好经济维护的重要手段。损伤容限设计是飞机结构安全可靠的重要保证。损伤容限也可以理解为飞机的安全限度。如果损伤和缺陷超出规定的公差范围，将不可避免地对飞机造成严重的功能损伤。飞机结构部件的设计分为两部分。一个是损伤容忍的一个关键因素，即在飞机运行中可以发挥安全作用的某些因素。整个飞机结构包括大约200个安全部件。另一类是影响飞机经济寿命的可持续性要素。元素的数量取决于具体的经济生活标准，其中大多数达到数千个或更多。

三、耐久性设计

可持续设计以断裂力学为基础，疲劳寿命的确定得到改进，以提高设计的可靠性。在可持续性设计中，车身结构的经济寿命旨在超过使用寿命，目的是最大限度地减少车身结构或材料的退化影响，并避免因过度维修而造成的胎面减压和运转灵敏度等问题。飞机结构的设计和验证是通过飞机载荷和环境影响下的耐久性测试来实现的，从而满足了结构寿命和可靠性方面的设计要求。

可持续设计的细节包括：选择耐用材料、控制应力等级、优化结构细节设计、选择疲劳强度技术、选择保存措施以及选择耐热措施。此外，还必须确保质量控制管理。可持续设计必须取代安全寿命设计，补充损伤容限设计，能够可靠地确定飞机的使用寿命，并确保飞机在使用寿命结束前的高度安全。

四、损伤容限设计

1.飞机结构主要损伤源

（1）在普通空气或环境的共同作用下，疲劳损伤、疲劳芯、短裂纹和由重复载荷引起的长裂纹可能导致残馀强度降低，最终造成结构损伤。（2）环境损伤环境可引起三个问题：一般腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳，均属于疲劳类别。它是由腐蚀性物质和腐蚀性环境之间的化学或电化学作用引起的，与机械系统没有直接联系。销毁过程包括在腐蚀开始时形成腐蚀坑，逐步扩大聚合，以减少结构的有效部分。最后，静态强度或函数不符合要求，导致失败。应力腐蚀产生于材料支撑系统-静态约束-腐蚀。受芯腐蚀并形成裂纹后，裂纹在静载荷作用下随着时间的推移而扩展，最终导致裂纹扩展不稳定，结构失效。（3）意外损伤：攻击飞机结构相对部分的外部物体直接或间接损伤受影响部分，降低残馀物强度，造成结构损伤。在制造和维修过程中因刀伤、刀痕、凹痕和擦伤、操作或维修错误等造成的意外损伤。

2.损伤容限设计要素

（1）临界裂纹尺寸或残馀力包括两个方面：残馀力载荷下结构允许的最大损伤，即临界裂纹尺寸;结构在指定损伤尺寸下可承受的残馀强度。这两项任务都是通过对残馀物强度的分析完成的。（2）裂纹在结构部分载荷谱和环境谱的影响下扩展，裂纹扩展期从可检测裂纹尺寸（初始裂纹尺寸）到临界裂纹尺寸不等。这项工作是通过深入的裂缝分析进行的。影响裂纹扩展寿命的主要因素是：载荷谱和材料强度结构类型。其中，材料的疲劳延伸强度主要由疲劳速度参数决定，该参数取决于材料类型、材料厚度和环境，而结构类型对裂纹的影响则由尖端应力强度系数决定。（3）损伤检查可利用规定的检测和维修手段进行损伤检测和评估，以确保迅速检测、预防或修复由疲劳、环境或意外损伤造成的损伤，并在规定的服务期内保持飞机的适航性。

结束语

综上所述，随着社会经济的不断发展和进步，相信航空航天技术的发展将逐步完善，飞机结构设计方法将更加适合人类使用。飞机结构的耐受性和耐久性的分析和设计方法大大提高了飞机的安全性和可靠性，并广泛用于航空领域，为航运业作出了显着贡献。

参考文献：

[1]李珊山，邢灵格，丁惠梁，段世慧.飞机结构初步设计优化中的损伤容限优化方法研究[J].航空工程进展，2011，01：78-83.