飛行器結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與斷裂分析的發(fā)展綜述

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1、飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與斷裂分析的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展院系：北方科技學(xué)院專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：B041401姓名：石珍學(xué)號(hào)：B041401196飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞與斷裂分析的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展疲勞強(qiáng)度是指飛機(jī)結(jié)果在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，飛機(jī)結(jié)構(gòu)并不可能作無限多次交變載荷試驗(yàn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中，要不斷承受交變載荷的作用。但是，早期設(shè)計(jì)給及只是從靜強(qiáng)度上考慮，只要通過計(jì)算和試驗(yàn)證明飛機(jī)結(jié)構(gòu)能夠承受得住設(shè)計(jì)載荷（實(shí)際使用中所出現(xiàn)的最大載荷乘以安全系數(shù)），就認(rèn)為飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有

2、足夠的強(qiáng)度。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受交變載荷的作用，某些構(gòu)建常常出現(xiàn)疲勞性能也較好。因此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問題并不突出，疲勞強(qiáng)度問題沒有引起足夠的重視。直到50年代前期，世界各國的飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范中對(duì)疲勞強(qiáng)度都還沒有具體要求，不要求進(jìn)行全尺寸結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)。但是，隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的性能不斷提高，適用壽命延長(zhǎng)，新結(jié)構(gòu)、新材料不斷出現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用中疲勞破壞與安全可靠之間的矛盾逐漸顯露出來了。斷裂是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)被斷錯(cuò)或發(fā)生裂開.討論的主要是脆性斷裂情況，其斷裂面是看得見摸得著的。還有兩類斷裂的斷裂面則是看得見卻不

3、一定摸得著的。許多飛機(jī)結(jié)果6，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作后會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂。疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對(duì)于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強(qiáng)度較好的材料來制造

4、。疲勞失效是金屬材料常見的失效形式,特別是軸類,連桿,軸承類等零件,長(zhǎng)期在應(yīng)力下工作的工件材料都要求較高的疲勞強(qiáng)度,這樣的可以提高零件的使用壽命。疲勞強(qiáng)度同時(shí)還與硬度、強(qiáng)度、韌性有較大關(guān)系，所以他是金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)疲勞強(qiáng)度是材料能夠承受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)時(shí)的最大應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度關(guān)系到零件的壽命以及零件工作時(shí)能夠承受的最大應(yīng)力，這對(duì)零件的安全設(shè)計(jì)有重大意義。例如:在齒輪設(shè)計(jì)中，當(dāng)接觸疲勞強(qiáng)度不滿足要求時(shí)，假定不再更換材料的前提下，可以用如下方法進(jìn)行彌補(bǔ)：1、增加齒輪的齒寬（增加輪齒的接觸面積）2、輪齒進(jìn)

5、行高頻淬火（或中頻淬火）、滲碳、滲氮（提高輪齒的表面硬度）3、磨齒（降低齒輪運(yùn)行中因?yàn)榻佑|強(qiáng)度不足而致使齒面發(fā)生膠合、斑蝕的危險(xiǎn)性能）650年代以前，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命問題沒有引起足夠的重視。那事，飛機(jī)機(jī)構(gòu)是單純采用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與剛度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。從50年代開始，基于以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)個(gè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及給及使用要求的不斷提高，在飛機(jī)安全和壽命的設(shè)計(jì)思想上發(fā)生了很大的變化。50年代中期，逐漸發(fā)展起以安全壽命為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)和評(píng)估思想。這是給及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想上的一次重大變革。但是，安全壽命設(shè)計(jì)思想是以結(jié)

6、構(gòu)件無初始損傷的假設(shè)為基礎(chǔ)的。顯然，這是理想化的情況。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)件可能存在這樣或那樣出事缺陷。因此，安全壽命設(shè)計(jì)思想并不能保證飛機(jī)安全可靠。于是，在1960年提出了破損安全設(shè)計(jì)概念。從60年代初期到70年代初期，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用破損安全與安全壽命相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，這種設(shè)計(jì)思想可以在這個(gè)時(shí)期的國外民用機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中看到。這種破損安全與安全壽命相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，這帶有一定的局限性，遠(yuǎn)不足以解決安全和壽命問題。隨著斷裂力學(xué)和其他科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)。1969年美國空軍開始規(guī)定催飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用損傷

7、容限和耐久性設(shè)計(jì)。1978年美國聯(lián)邦航空局（FAA）規(guī)定在民用機(jī)上采用損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)6來代替原來的破損安全與安全壽命設(shè)計(jì)。損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)思想的核心是：承認(rèn)結(jié)構(gòu)件中存在初始缺陷的可能性，控制損傷的擴(kuò)展。從而，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)在規(guī)定期內(nèi)具有規(guī)范要求的抗破壞能力和經(jīng)濟(jì)耐用的品質(zhì)。損傷容限設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)更是一次變革性質(zhì)的設(shè)計(jì)思想發(fā)展。航空工業(yè)作為技術(shù)密集、知識(shí)密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，集材料、機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力、電子、超密集加工、特種工藝等各種前沿技術(shù)之大成。目前，國際航空技術(shù)發(fā)達(dá)國家早已實(shí)施損傷容限耐久性規(guī)

8、范，并成為國際適航性條例要求。然而，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的三維損傷容限耐久性預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)方面，由于研究隊(duì)伍嚴(yán)重萎縮，國際上的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展非常緩慢，三維損傷容限耐久性技術(shù)的發(fā)展停滯不前。與此同時(shí)，現(xiàn)代飛機(jī)大量使用三維整體結(jié)構(gòu)，已有技術(shù)與需求的矛盾更加突出。6這一現(xiàn)狀的存在，使得國內(nèi)外的設(shè)計(jì)者們?cè)谝延屑夹g(shù)基礎(chǔ)上不得不依靠更加實(shí)際、但耗資巨大的全機(jī)試驗(yàn)和各級(jí)全尺寸部件試驗(yàn)來檢驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限和耐久性，虛擬試驗(yàn)的科學(xué)基礎(chǔ)欠缺。近年隨著計(jì)算機(jī)容量逐