谈谈飞机结构抗疲劳细节设计

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1、谈谈飞机结构抗疲劳细节设计　　摘要：本文根据本人飞机结构设计中的具体经验，介绍了影响飞机结构细节的抗疲劳性主要影响因素，重点阐述了飞机结构细节的抗疲劳设计方法和具体实例，希望能给广大的飞机结构设计人员带来一些帮助。关键词：结构细节；抗疲劳；应力集中中图分类号：V214文献标识码：A一、前言飞机结构寿命的长短主要取决于重要结构细节的抗疲劳开裂能力。现代飞机结构设计基础中的疲劳、损伤容限、耐久性设计三者之间虽然在实际原理、设计方法和设计目标有本质的不同；但就提高结构细节的抗疲劳能力而言，三者的要求基本上是一致的。这是因为飞机的使用统计和研究表

2、明，因疲劳开裂而引起的结构破坏的概率很高，飞机结构灾难性的疲劳破坏大多数就是由于重要受力构件或连接杆存在着高的应力集中引起的。二、影响结构细节的抗疲劳性的因素影响飞机结构细节的抗疲劳性的因素主要依赖如下几个主要因素：18结构材料本质。不同材料其内部的化学成分、金相组织、纤维方向、内部缺陷等不一样，其疲劳性、断裂性能和抗腐蚀性能也并不相同。2结构零件几何形状及表面状态。包括尺寸效应、缺口效应和零件的表面光洁度等。3结构的连接形式、布局及传力路线的设计。4结构零件的表面热处理及内部的残余应力。5零构件的制造工艺方法。6结构零部件的工作条件。对

3、于在特定载荷环境中工作的零构件，由于载荷、腐蚀介质、湿度和温度的联合和交替，会导致零构件提前发生疲劳损伤并加速损伤的扩展。三、结构的抗疲劳细节设计方法和实例依据影响结构细节的抗疲劳性的因素全面权衡，采取恰当的、合理的设计方案来提高零构件的抗疲劳性。1选材时应综合权衡8疲劳开裂最敏感的局部区域或元件所采用的材料很重要，尽量选择抗疲劳性能好的材料，材料应力水平限制在容许的范围之内。选材时应遵循三个原则：对材料性能、载荷、环境条件和结构重量、经济性作综合权衡；根据设计要求，按静强度、疲劳容限等要求即区别又协调的选材；考虑材料的使用经验和继承性。

4、如飞机很多关键重要零件如机身与机翼对接件、发动机的接头等都用锻件制造是由于锻件承载能力大，抗疲劳能力好；飞机中央翼上壁板选用的是LC4铝合金材料，而下壁板则选用的是LY12CZYO铝合金材料，原因是LY12CZYO铝合金材料的疲劳性能优于LC4，而LC4由于静强度较高疲劳极限较低，缺口敏感性较大，应力腐蚀倾向较高，所以一般不选其为下壁板蒙皮。2改进结构减缓局部应力，降低应力集中应力集中是产生疲劳裂纹的主要因素，应精心设计减少应力集中、降低局部应力，可显著提高零构件寿命，甚至高达10～100倍。1）设计中应尽量避免或减缓零构件形状的突变，零

5、构件截面大小、形状变化缓和可使其力流线的拐折得到缓和，降低应力集中系数。如轴类零件截面变化处和壁板厚度改变处应有足够的过渡区，增大圆角半径，能够使应力集中系数降低，达到减缓局部应力的目的。过渡圆弧之半径R为厚度变化值的10倍以上，一般不会引起疲劳问题。2）结构上尽量少开口，小开口，开口位置尽可能选在低应力处；必须开口时，要加开口部位的结构，受拉表面最好不开口。减少孔开口附近的局部应力的有效方法是在孔口边缘连接上一个加强圆环，孔洞的应力集中随着加强圆环刚度的增加而减轻。加强环与圆孔的连接最有效的方式是焊接或胶接，铆接或螺接容易导致孔边更高的

6、应力集中。3）铆钉孔、螺栓孔等都是产生应力集中的部位，通常采用局部加强，如适当加大厚度的方法来减少局部应力。84）减少零构件上因多个应力集中相互影响可能引起的复合应力集中，使这些细节相隔一定的距离并处于恰当的位置，以降低其相互影响。3结构布局和传力路线的恰当设计1）结构布局保持合理性：合理的结构细节布局，主传力构件就会承受并转递主要载荷，从构件承受并转递次要载荷或很小的载荷，各个零构件适中的保持自己的载荷能力，极大提高本零构件系统的抗疲劳性。2）主传力通道保持完整：主传力构件一般是疲劳危险件，尽量保证其完整性；避免在其上连接次要构件以及开

7、孔挖缺口，受力系统在设计时尽可能把传力路线设计得最短。4消除偏心传载荷强迫装配偏心传载和强迫装配会引起附加应力，降低零构件的抗疲劳性。尽量采用对称结构设计；为减少连接部位由于存在的设计间隙或工艺间隙的强迫装配应力，可采用适当的补偿件。5连接接头和连接结构的抗疲劳设计飞机的疲劳破坏经常发生在接头和链接件的连接处，所以连接件的抗疲劳“细节设计”很重要。（1）连接接头尽量避免偏心螺栓接头：其连接一般有四种连接形式：单剪连接、8双剪连接、单嵌连接和双嵌连接。试验表明：双剪接头比单剪好，而双嵌连接比单嵌好，其中以双嵌式鱼尾形连接最好，可使螺栓受载比

8、较均匀，从而提高疲劳寿命。耳片和销钉的连接接头：耳片宽度W/耳片孔径D≤1.7；耳片的颈缩比S/W应尽量接近1.0。提高耳片疲劳强度的有效措施是利用干涉配合，在耳孔中使用较高过盈的衬套以方便维