军用飞机结构疲劳寿命分析

军用飞机结构疲劳寿命分析

王 健 胡 斌

（中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，汉中 723000）

摘 要 飞机是一种大型、复杂的先进装备。对军用飞机而言，要实现它所承担的作战使命，显示强大的作战威力，必须在飞行高度、速度、航程、机动性、敏捷性、电子作战能力、武器装备以及隐身等诸多方面具有先进的性能指标，同时必须满足长寿命、高可靠性、高经济性的综合指标。文章简述飞机结构疲劳问题的重要性，特别结合军用标准规范对飞机结构疲劳设计要求的变化影响军用飞机结构疲劳寿命的因素；着重论述工程实际中常用的疲劳寿命分析方法。

关键词 军用飞机结构；疲劳寿命1 军用飞机常用寿命指标

从军用飞机结构失效模式来看，主要有载荷造成的疲劳破坏和

环境造成的腐蚀损伤2类。这与GJB775.1—1989《军用飞机结构完整性大纲·飞机要求》规定的“军用飞机使用寿命主要包括疲劳使用寿命和日历使用寿命两类指标”是一致的。其中：第一，疲劳寿命指标。主要反映飞机结构在使用载荷作用下抵抗疲劳破坏的能力。军用飞机使用载荷主要包括外部气流引起的气动载荷和飞机完成机动动作造成的机动载荷，其中机动载荷是影响歼击机、歼击轰炸机等小型军用飞机结构损伤的主要载荷。目前，疲劳使用寿命各国一般都是通过全机疲劳寿命试验值除以相应分散系数加以确定，理论方法相对成熟。第二，日历寿命指标。主要反映飞机地面停放中维护活动及腐蚀环境对飞机结构造成的损伤。由于影响飞机结构的腐蚀因素多，交互作用复杂；因此，国内外仍未能建立起一套相对完善的飞机日历定寿理论及方法。这一情况在我国最为严重，目前部队使用的飞机日历使用寿命一般为科研单位凭经验给定出的“暂定”日历使用寿命，可靠性有待商榷。2 影响军用飞机结构疲劳寿命的因素

决定飞机结构寿命的使用条件，主要包含飞机结构在使用中所承受的载荷－时间历程，以及在地面停放和飞行中的环境－时间历程，简称为载荷条件和腐蚀条件。用载荷谱描述的载荷－时间历程是飞机结构疲劳寿命的主要因素，用环境谱描述的环境－时间历程则是决定飞机结构日历寿命的主要因素。环境腐蚀影响飞机结构的疲劳寿命，从而影响结构疲劳关键件所对应的日历寿命；特别是对由于腐蚀可能导致功能失效或无法修复的关键件而言，其日历寿命更是直接取决于腐蚀条件。腐蚀条件对飞机结构的疲劳寿命有着不可低估的影响。总体来说，包括两个方面：一是飞机在地面停放时，由于机场自然环境等因素，导致各疲劳关键件及关键部位处于一定的局部腐蚀环境之中，随着地面停放年限的增加，腐蚀的作用使这些构件的疲劳品质不断下降，从而降低疲劳寿命；二是空中飞行时，由于空中环境与载荷的共同作用而使疲劳损伤加剧，使疲劳寿命下降。

3 疲劳寿命分析方法3.1 裂纹形成寿命分析方法

第一，应力—寿命法（名义应力法，S—N曲线法）应力—寿命法比较适宜于分析低应力幅（弹性）长寿命的问题。这一方法提出较早，应用起来方便简单，己积累了大量的S—N曲线数据。名义应力法中，做S—N曲线的疲劳试验最为费时费钱，因为不同的构件应力集中情况（Kt），S—N曲线都不相同，另外疲劳试验的分散性较大，需要很多试件才能得出P—S—N曲线。第二，应变寿命法（ε—N法，局部应力—应变法）。由于S—N曲线法不能考虑局部塑性效应，而疲劳裂纹又总是在高应力集中局部区域有塑性变形，因而要改善寿命预测精度，就应当合理地考虑塑性变形。应变寿命法正是考虑局部弹塑性响应的方法。第三，应力场强法。应力场强法是我国疲劳研究人员独创的疲劳寿命分析方法。它从研究构件缺口部位应力分布出发，提出一个辨证地处理缺口的局部和整体状况的参数（应力场强）来反映缺口件受载的严重程度，并认为该应力

场强是疲劳裂纹形成的控制参数。姚卫星教授用该理论较好地解释了一些复杂疲劳现象，如弯曲与扭转疲劳极限的差别、复合疲劳极限、疲劳缺口系数与尺寸系数等。用于寿命分析的场强寿命曲线也采用光滑试件得出，分析步骤与前述各法大致类似，场强参数的计算比直接用应力、应变要麻烦些。3.2 裂纹扩展寿命分析方法

在军用飞机关键结构损伤容限设计及外场飞机大修处理中，对裂纹扩展分析计算一般有两种方式：第一种是通过理论计算结合自主开发的裂纹扩展分析程序，此方法每一步均需进行应力强度因子计算并按线弹性断裂判据判断是否断裂，计算过程复杂，实际应用

第二种是使用专业的断裂有一定难度，且计算准确性也难以保证；

力学有限元软件。如美国空军实验室（AFRL）开发的AFGROW软件，是目前可获得的最快速、最有效的结构开裂寿命预测工具之一，已广泛应用于美军航空领域。但AFGROW软件更多的是依赖其强大的应力强度因子库进行平面内裂纹扩展分析。随着有限元理论不断完善及有限元软件快速发展，目前已可实现裂纹连续扩展仿真。本文对军机结构疲劳裂纹扩展寿命提出了结合材料断裂性能试验的三维仿真分析方式。复合型裂纹断裂判定准则主要包括：最大周向应力准则、能量释放率准则和应变能密度因子准则。在裂纹扩展三维仿真中，主要用能量释放率计算断裂力学系数（比如Zencrack软件），确定能量释放率主要由利用裂纹尖端的裂纹张开位移（COD）和利用有限元软件的J一积分两种方法。裂纹张开位移（COD）方法：根据局部裂纹张开位移（COD）和材料属性E，以及应力状态来计算应力强度因子SIFs，利用相同材料和应力状态将SIFs转换成能量释放率。J一积分方法：所有裂纹前缘上的节点都需要沿裂纹前缘按顺序指定，在每个裂纹前缘节点处生成一个局部正交坐标系，在局部i-ii平面内定义虚拟裂纹扩展的扇形区域，提取围绕裂纹前缘的7个最大能量释放率的值，并确定最大能量释放率的方向。4 结束语

飞机寿命的最终实现，是在部队使用中完成的，因而它又涉及到维修方式、寿命管理体制等一系列管理方面的问题。如果寿命管理体制落后，仅单靠技术上的先进性，也不能使飞机充分发挥效益、达到寿命管理的先进水平。如能开发有效的飞机结构健康状态监控技术，采用“视情维修，因故退役”替代预防维修，将会使飞机结构寿命大大提升。参考文献

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24 军民两用技术与产品 2018·6（下）