飞机结构疲劳设计(一)

《飞机结构疲劳设计(一)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、飞机结构疲劳设计(一)王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所1前言以前的飞机结构设计问题都是基于静载荷条件下的静强度问题，即结构的破坏是由于结构受到实际应力超过了构件的强度极限所造成的。然而在实际使用过程中，飞机结构经常承受交变载荷，部件长期在交变载荷作用下，即使其最大工作应力远小于强度极限，甚至比屈服极限还小，也可能发生断裂破坏。这种由交变应力引起的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏是目前航空工程中一个十分突出的问题。据统计，飞机结构在外场使用中发生的断裂问题80%以上都是因疲劳而引起的，因此在对飞机结构进行设计时，必须进行结构

2、疲劳设计。2疲劳设计概念疲劳概念：结构在重复载荷作用下经常因疲劳而产生裂纹，最终导致疲劳破坏，这种因循环应力或交变应力而使材料抵抗裂纹扩展和断裂能力减弱的现象。疲劳破坏一般有以下特征：①在交变载荷作用下，构件交变应力远小于材料的静强度极限的情况下破坏也可能发生。②不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，属于低应力类脆性断裂，故不易察觉，具有更大的危险性。③疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。疲劳破坏过程实际由三个过程组成：裂纹形成、裂纹扩展和裂纹扩展

3、到快速断裂。④疲劳破坏常具有局部性质，而并不涉及到整个结构的所有细节和部位。因此改变局部设计，就可延长结构寿命，并不需要更换结构全部材料或修改其他细节设计。⑤疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视检查即能进行观察，借此可判断是否属于疲劳破坏。了解疲劳破坏的特征，对结构的疲劳设计有很大的帮助！补充：几个概念(1)飞机结构的各种结构或构件在使用中所承受的载荷往往是变化的，相应地，所承受的应力也是变化的。人们把这种变化着的载荷成为疲劳载荷，把相应的应力称为疲劳应力，而把载荷和应力随时间变化的历程则分别成

4、为载荷谱和应力谱。2.1疲劳断裂机理宏观的断裂判据的正确性应建立在对断裂的微观过程物理本质的正确了解上。因此，下面简单介绍断裂的微观机理。在单调加载条件下，实际金属和合金的断裂可分成解理断裂和迭波断裂。解理断裂是晶体严格地按某些结晶学平面的分离，没有任何塑性变形。迭波断裂是原子尺度上的滑移。在交变载荷条件下，疲劳断裂过程有裂纹成核阶段，裂纹稳定扩展阶段和裂纹临界扩展阶段。裂纹稳定扩展阶段又可分微裂纹扩展和宏观裂纹扩展两阶段，如下图疲劳断裂过程示意图(1)裂纹成核(裂纹萌生)裂纹成核是指裂纹的起始。在交变载荷作用下，在试件表

5、面可看到“挤出”和“挤入”，相应的金属内部产生孔洞。在这里就开始形成裂纹核(如上图)。“挤出”是形成疲劳裂纹的一个条件，但不是必要条件。在疲劳载荷作用下，塑性变形的累积，由位错造成的滑移带，均与疲劳裂纹的形成有着密切的关系。表面缺陷，材料内部缺陷如气孔、夹杂物及第二相质点等应力集中处，均促进疲劳裂纹形成。(2)稳定裂纹扩展阶段(一般可分为两个阶段)第一阶段：从疲劳核心开始由滑移带的主滑移面向金属内部的扩展，滑移面的取向大致与主应力轴线成45°角。在局部区域会形成多条微裂纹，微裂纹扩展速率很慢，大部分微裂纹扩展到某阶段而终止

6、，而某些微裂纹形成一主裂纹，则为第一阶段裂纹扩展。第二阶段：裂纹扩展平面和主应力轴线约成90°角，扩展速率加快，一般以微米每循环次作单位来计量。在断口上有明显的疲劳痕迹(即疲劳条纹)。条纹间距离和疲劳循环一次裂纹的扩展量相对应。(3)裂纹的临界扩展阶段裂纹扩展到足够的尺寸时，即裂纹尺寸达到快速扩展的临界尺寸时，裂纹出现不稳定快速扩展。构件发生断裂，此时断裂是突然快速断裂，断口表面呈粗粒状。2.2材料疲劳性能曲线疲劳破坏的三个范围2.3疲劳特性图等寿命曲线形式二几种等寿命曲线形式典型疲劳特性图2.4影响疲劳强度的因素及相应措

7、施2.4.1影响疲劳强度的因素结构在一定的载荷作用下会发生破坏，这是静强度和疲劳强度都存在的问题，但是两者的载荷条件和破坏情况则是有原则区别的。这就是疲劳强度问题区别于静强度问题的矛盾的特殊性。应力集中、腐蚀和温度等对材料的静强度和疲劳强度都有影响，但是影响的情况和程度是不一样的。零件表面的粗糙度和零件尺寸的大小对零件的静力强度没有什么明显的影响，但是对于零件的疲劳强度则必须考虑这些因素的效应。影响结构疲劳强度的因素很多，概括起来有如下几种。通过长期的生产实践和科学试验，人们对影响疲劳强度的很多因素有了一定的认识，并且还在

8、不断地扩大和深化这些认识。本节将简要讨论一下较常遇到的影响疲劳强度的一些主要因素。(1)应力集中的影响在实际构件中，由于结构上的要求，一般都存在截面变化、拐角和孔等。在这些形状变化处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当构件承受静载荷时，由于常用的结构材料都有一定的塑性，在