本文摘要：摘要：隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展，航空疲勞與結(jié)構(gòu)完整性成為影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命、安全性、可靠性的關(guān)鍵問題之一。經(jīng)過多年來的努力，飛機(jī)結(jié)構(gòu)從最初的靜強(qiáng)度、安全壽命設(shè)計(jì)理念逐漸發(fā)展成以疲勞與結(jié)構(gòu)完整性為指導(dǎo)的研制理念和方法，并在型號(hào)中取得了成功應(yīng)用，
摘要：隨著我國航空事業(yè)的發(fā)展，航空疲勞與結(jié)構(gòu)完整性成為影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命、安全性、可靠性的關(guān)鍵問題之一。經(jīng)過多年來的努力，飛機(jī)結(jié)構(gòu)從最初的靜強(qiáng)度、安全壽命設(shè)計(jì)理念逐漸發(fā)展成以疲勞與結(jié)構(gòu)完整性為指導(dǎo)的研制理念和方法，并在型號(hào)中取得了成功應(yīng)用，使得新一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到很大的提升。隨著技術(shù)的發(fā)展和新型號(hào)的研制需求，這一領(lǐng)域又出現(xiàn)了許多亟待解決的新問題。本文從航空工業(yè)角度梳理了自2000年以來我國航空結(jié)構(gòu)疲勞研究的進(jìn)展和主要成果，重點(diǎn)介紹了在航空材料/結(jié)構(gòu)/工藝、分析評(píng)估理論研究、疲勞試驗(yàn)技術(shù)以及飛機(jī)壽命管理等方面的研究進(jìn)展和應(yīng)用概況，在此基礎(chǔ)上從型號(hào)研制及工程發(fā)展角度提出了對(duì)國內(nèi)航空疲勞需要重點(diǎn)關(guān)注的研究方向的建議，以期為我國航空結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。
關(guān)鍵詞：航空疲勞;疲勞特性;損傷容限;耐久性;結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù);服役壽命管理
近幾十年的使用經(jīng)驗(yàn)表明，除去人為因素(誤操作)和超常環(huán)境因素(如風(fēng)暴、雷擊等)外，在重復(fù)載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞斷裂仍然是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的主要因素，是結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性破壞的主要模式。航空結(jié)構(gòu)疲勞主要研究材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)布局、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、使用環(huán)境等因素對(duì)飛行器(主要指飛機(jī))結(jié)構(gòu)耐久性/損傷容限性能的影響，以及無損檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、腐蝕防護(hù)、結(jié)構(gòu)維修等手段對(duì)飛行器服役/使用壽命的影響�，F(xiàn)有飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱要求的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中規(guī)定，必須建立貫穿飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證、維修等整個(gè)壽命周期的航空疲勞技術(shù)體系，以確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行良好及其服役的安全性。
航空論文范例：民航空中交通安全管理發(fā)展戰(zhàn)略分析
航空結(jié)構(gòu)疲勞的設(shè)計(jì)理念與研究內(nèi)容伴隨著航空技術(shù)的提高、飛機(jī)性能的提升而發(fā)展。飛機(jī)的飛行速度從最開始的低速發(fā)展到亞音速，然后再到超音速，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的性能要求也從最初的安全性陸續(xù)提出了機(jī)動(dòng)性、可靠性、舒適性、適應(yīng)性等要求，設(shè)計(jì)理念也經(jīng)歷了從靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、安全壽命設(shè)計(jì)、破損安全-損傷容限設(shè)計(jì)、耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)直到完整性可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展過程[1]-[4]。在安全壽命設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，航空疲勞的主要研究內(nèi)容為基于S-N曲線的名義應(yīng)力法開展結(jié)構(gòu)的裂紋萌生壽命分析，考慮幾何形狀、應(yīng)力集中等因素對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。到了破損安全-損傷容限設(shè)計(jì)階段，航空疲勞的主要研究內(nèi)容為基于斷裂力學(xué)的應(yīng)力強(qiáng)度因子和Paris公式及其修正模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展壽命，考慮載荷次序、應(yīng)力比等因素的影響[5]。
當(dāng)航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念發(fā)展至耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)階段時(shí)，航空疲勞的研究內(nèi)容同時(shí)包含了結(jié)構(gòu)的裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命，其研究對(duì)象也擴(kuò)展至疲勞、腐蝕、表面完整性、無損檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)等，研究手段也更為豐富，如連續(xù)損傷力學(xué)、概率斷裂力學(xué)、疲勞可靠性等[6]-[8]。經(jīng)過多年的發(fā)展，從仿制到自主研制，我國建立了涵蓋全壽命周期的結(jié)構(gòu)疲勞技術(shù)體系，基本實(shí)現(xiàn)了新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的長壽命抗疲勞設(shè)計(jì)，研制的戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)壽命提高至6000-8000飛行小時(shí)，教練機(jī)提高至8000-10000飛行小時(shí)，民用飛機(jī)提高至60000-90000飛行小時(shí)，日歷壽命目標(biāo)為25-30年。
但是，由于我國航空工業(yè)起步相對(duì)較晚，試驗(yàn)和服役積累數(shù)據(jù)相對(duì)較少，且受工業(yè)制造水平限制，在抗疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性、分析評(píng)估準(zhǔn)確性、試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)性、制造工藝穩(wěn)定性、維修保障可靠性等方面，與航空強(qiáng)國還存在一定的差距。本文從航空工業(yè)工程研究和應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)國內(nèi)航空工業(yè)結(jié)構(gòu)疲勞研究的發(fā)展歷程進(jìn)行回顧，并對(duì)新世紀(jì)以來我國航空產(chǎn)品貫徹飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱，在材料/結(jié)構(gòu)/工藝、分析評(píng)估、試驗(yàn)技術(shù)以及服役管理等方面的航空疲勞研究進(jìn)展進(jìn)行簡要綜述，以期為我國航空工業(yè)結(jié)構(gòu)疲勞研究的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和支持。
1國內(nèi)航空疲勞研究歷程
1.1國內(nèi)航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想發(fā)展
我國早期的航空疲勞研究主要采用模仿跟進(jìn)、消化吸收國外相關(guān)研究的策略，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想經(jīng)歷了從安全壽命設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)再到可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展過程。在六、七十年代，國內(nèi)主要采用“安全壽命”疲勞設(shè)計(jì)方法研制飛機(jī)。研究人員假設(shè)交付使用的飛機(jī)結(jié)構(gòu)不存在初始缺陷或損傷，依據(jù)疲勞分析和全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋萌生壽命，除以分散系數(shù)來給出使用壽命，分散系數(shù)考慮了環(huán)境的影響、材料和制造的偏差。
即主要通過強(qiáng)調(diào)足夠的靜強(qiáng)度(控制低的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平)和選取高的分散系數(shù)來保障給定使用壽命期內(nèi)的飛行安全，而沒有要求采用有效措施防止飛機(jī)結(jié)構(gòu)由于新機(jī)交付或者在服役過程中所產(chǎn)生的缺陷或損傷所導(dǎo)致的破壞。因此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)是不允許帶缺陷或損傷交付使用的，一旦發(fā)現(xiàn)必須立即排除。然而受當(dāng)時(shí)無損檢測(cè)能力制約，初始缺陷始終難以避免，即使采用了高的分散系數(shù)值也不足以完全保證結(jié)構(gòu)的使用安全，因此國內(nèi)研究人員逐漸關(guān)注考慮初始損傷或缺陷的損傷容限設(shè)計(jì)方法。
在八十年代左右，國內(nèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞研究引入了損傷容限設(shè)計(jì)思想，結(jié)合安全壽命設(shè)計(jì)思想，形成了安全壽命設(shè)計(jì)定壽、損傷容限設(shè)計(jì)保障飛行安全的設(shè)計(jì)方法。損傷容限表征了結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用周期內(nèi)，抵抗由缺陷、裂紋或其它損傷而導(dǎo)致破壞的能力，它以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，以保證結(jié)構(gòu)安全為目標(biāo)，以損傷檢查為手段，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷、強(qiáng)度、材料、工藝、試驗(yàn)質(zhì)量控制、使用維修和組織管理各環(huán)節(jié)。
在損傷容限設(shè)計(jì)思想中，疲勞設(shè)計(jì)與損傷容限設(shè)計(jì)相輔相成，以疲勞分析和試驗(yàn)結(jié)果確定結(jié)構(gòu)的使用壽命，以裂紋緩慢擴(kuò)展壽命確定結(jié)構(gòu)的檢修周期。對(duì)于經(jīng)分析和試驗(yàn)證實(shí)具有優(yōu)良損傷容限特性的結(jié)構(gòu)，可以選取較低的分散系數(shù);對(duì)于損傷容限特性不好，或者無法實(shí)現(xiàn)損傷容限設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，必須選取高的分散系數(shù)。
可以看出，損傷容限設(shè)計(jì)的目的在于通過對(duì)結(jié)構(gòu)的緩慢裂紋擴(kuò)展壽命和剩余強(qiáng)度的分析與驗(yàn)證，為檢修周期或允許的最大初始損傷提供依據(jù)。損傷容限設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于通過對(duì)材料的選擇、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、使用應(yīng)力水平等方面進(jìn)行研究，使得所研制的結(jié)構(gòu)(包括單傳力路徑和多傳力路徑)具有裂紋緩慢擴(kuò)展特性。如此一來，對(duì)于帶有未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷或損傷的已交付結(jié)構(gòu)，由于缺陷或損傷的擴(kuò)展得到控制，就能有效地防止結(jié)構(gòu)在給定的使用壽命期內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性破壞。
2國內(nèi)航空工業(yè)結(jié)構(gòu)疲勞研究現(xiàn)狀和進(jìn)展
飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞受多種因素的影響，對(duì)材料特性、制造工藝、結(jié)構(gòu)形式、載荷歷程及環(huán)境條件等因素均極為敏感，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞和斷裂特性的研究至今仍然是航空工程中最為復(fù)雜的問題之一[10]。正因如此，我國科研人員對(duì)于航空疲勞問題的研究也一直保持高度關(guān)注和深入研究，尤其是進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國家對(duì)航空工業(yè)給予高度重視，在科研經(jīng)費(fèi)方面提供大力支持，使得很多航空疲勞科研項(xiàng)目得以持續(xù)、深入開展，并取得了豐碩的成果。本節(jié)從材料/結(jié)構(gòu)/工藝、分析評(píng)估、試驗(yàn)技術(shù)及服役管理等方面，對(duì)進(jìn)入新世紀(jì)以來我國在航空疲勞領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行簡要介紹。
3展望
經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)航空疲勞研究已建立了一套比較完整的抗疲勞設(shè)計(jì)、疲勞分析評(píng)估、抗疲勞制造、疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證以及服役壽命管理的體系，包含了損傷演化及累積規(guī)律、裂紋萌生及擴(kuò)展分析、服役環(huán)境及制造工藝影響、無損檢測(cè)及健康監(jiān)測(cè)、維修計(jì)劃及方案制定和飛機(jī)結(jié)構(gòu)定/延壽等研究內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了從飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)以及服役等全過程的耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)思想的實(shí)踐，為我國的航空工業(yè)的快速發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。然而，隨著新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的逐步應(yīng)用、新型數(shù)字化分析工具的快速發(fā)展、服役環(huán)境的嚴(yán)苛化和復(fù)雜化等問題，使得航空疲勞的研究目前面臨著諸多挑戰(zhàn)。
本文從研究尺度的多維化、設(shè)計(jì)要求的綜合化、服役管理的數(shù)字化和分析工具的國產(chǎn)化等幾個(gè)方面對(duì)國產(chǎn)航空疲勞研究的發(fā)展進(jìn)行展望。 高精度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)分析是開展航空疲勞研究的基礎(chǔ)。國內(nèi)目前應(yīng)用的有限元分析軟件如ANSYS、ABAQUS和NASTRAN等，以及疲勞和損傷容限分析軟件如MSC.Fatigue、FRANC2D/3D以及NASGRO等，均為國外軟件公司所開發(fā)。自從2018年中美“貿(mào)易戰(zhàn)”揭幕以來，美國等西方國家對(duì)于核心關(guān)鍵高端工業(yè)軟件的控制成為了遏制我國發(fā)展的重要戰(zhàn)略手段之一。
雖然截止目前上述結(jié)構(gòu)分析和疲勞/損傷容限分析軟件的應(yīng)用未受到明顯的影響，但未雨綢繆、曲突徙薪，開展大型工業(yè)級(jí)結(jié)構(gòu)分析軟件和疲勞/損傷容限分析軟件已刻不容緩。如何在國產(chǎn)自主軟件HAJIF等基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展分析功能、提升分析效率、提高計(jì)算精度等是建立我國航空疲勞研究分析軟件所必須攻克的難題。
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作者：王彬文1，陳先民1,*，蘇運(yùn)來1，孫漢斌1，楊宇1，樊俊鈴1
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