損傷容限設(shè)計基本概念原理和方法PPT課件

1、本講內(nèi)容321損傷容限設(shè)計概念和原理損傷容限設(shè)計概念和原理破損安全結(jié)構(gòu)破損安全結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計對象損傷容限設(shè)計對象4損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法第1頁/共39頁損傷容限設(shè)計原理第2頁/共39頁損傷容限設(shè)計原理 損傷容限設(shè)計方法是在總結(jié)以往飛機(jī)設(shè)計、使用經(jīng)驗(yàn)并在斷裂力學(xué)理論的發(fā)展基礎(chǔ)上，以設(shè)計規(guī)范形式確定下來的一種設(shè)計準(zhǔn)則。 損傷容限設(shè)計的基本出發(fā)點(diǎn)就是承認(rèn)結(jié)構(gòu)中存在著一定程度的未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷，然后通過損傷容限特性分析與試驗(yàn)：F 對可檢結(jié)構(gòu)給出檢修周期；F 對不可檢結(jié)構(gòu)給出最大允許初始損傷第3頁/共39頁損傷容限設(shè)計的三個要素Q 臨界裂紋尺寸或剩余強(qiáng)度 剩余強(qiáng)度要求的載荷作用

2、下，結(jié)構(gòu)允許存在的最大損傷；或在某一規(guī)定的損傷下，結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度應(yīng)大于對該結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度要求值(即損傷容限載荷)。Q 裂紋擴(kuò)展周期 結(jié)構(gòu)部在載荷譜和環(huán)境譜作用下，裂紋長度從可檢裂紋尺寸(初始裂紋尺寸)至臨界裂紋尺寸值之間的裂紋擴(kuò)展期Q 損傷檢查 包括各種檢查方法及檢查周期的選擇第4頁/共39頁疲勞安全壽命設(shè)計和損傷容限設(shè)計對比設(shè)計方法設(shè)計方法疲勞安全壽命疲勞安全壽命損傷容限損傷容限基本假設(shè)基本假設(shè)無缺陷存在無缺陷存在存在初始損傷存在初始損傷界限界限至宏觀可檢裂紋至宏觀可檢裂紋可檢裂紋至臨界裂紋尺寸可檢裂紋至臨界裂紋尺寸嚴(yán)重部位嚴(yán)重部位結(jié)構(gòu)中應(yīng)力水平高和疲結(jié)構(gòu)中應(yīng)力水平高和疲勞敏感區(qū)的所有部位勞敏

3、感區(qū)的所有部位斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)壽命計算壽命計算 平均試件壽命平均試件壽命/分散系數(shù)分散系數(shù) 裂紋擴(kuò)展周期裂紋擴(kuò)展周期/分散系數(shù)分散系數(shù)分散系數(shù)分散系數(shù)4-72理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)S-N曲線曲線疲勞累積損傷理論疲勞累積損傷理論線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)第5頁/共39頁a1:安全壽命終結(jié)點(diǎn)的宏觀可檢裂紋；a2 :外場檢測手段能測定的裂紋尺寸；a0 :損傷容限設(shè)計起點(diǎn)的初始裂紋尺寸；acr不穩(wěn)定擴(kuò)展的臨界裂紋尺寸。疲勞安全壽命設(shè)計和損傷容限設(shè)計對比第6頁/共39頁 均是在不同意義上解決結(jié)構(gòu)的使用壽命設(shè)計及飛機(jī)安全問題，總的目標(biāo)是一致的，而且在結(jié)構(gòu)件抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計的原理上仍有許多共同之處。疲勞安

4、全壽命設(shè)計和損傷容限設(shè)計對比第7頁/共39頁損傷容限設(shè)計目標(biāo) 將飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計成在使用載荷/環(huán)境譜載荷下，在給定的設(shè)計使用壽命期限內(nèi)具有高安全性。 對于可檢結(jié)構(gòu)給出檢查周期，以確保結(jié)構(gòu)有足夠的剩余強(qiáng)度； 對于不可檢結(jié)構(gòu)給出最大允許初始損傷，以確保在給定的使用壽命期限內(nèi)，不至于由于未被發(fā)現(xiàn)的損傷導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。第8頁/共39頁損傷容限設(shè)計所關(guān)心的問題(1) 剩余強(qiáng)度與裂紋尺寸的關(guān)系如何?(2) 在預(yù)期的工作載荷下能夠容許多大的裂紋？(3) 在結(jié)構(gòu)工作壽命開始時，允許存在多大缺陷?(4) 裂紋初始尺寸擴(kuò)展到臨界尺寸需要多長時間?(5) 裂紋檢查周期的確定? 第9頁/共39頁本講內(nèi)容321損傷容限設(shè)

5、計概念和原理損傷容限設(shè)計概念和原理破損安全結(jié)構(gòu)破損安全結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計對象損傷容限設(shè)計對象4損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法第10頁/共39頁結(jié)構(gòu)分類 飛機(jī)結(jié)構(gòu)飛行安全結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)斷裂部位損傷容限設(shè)計斷裂型式第11頁/共39頁損傷容限危險部位的確定 危險部位的選擇是飛機(jī)損傷容限設(shè)計評估工作中的最重要環(huán)節(jié)。 下列部位應(yīng)選危險部位：(1) 所有飛行安全結(jié)構(gòu)。(2) 破壞的后果和危險程度。 該部位損傷嚴(yán)重影響飛機(jī)的使用功能、飛機(jī)安全或?qū)е轮饕到y(tǒng)失效。(3) 結(jié)構(gòu)形式、受力情況和強(qiáng)度儲備 一般對整體結(jié)構(gòu)和所有單傳力途徑結(jié)構(gòu)(特別是不可檢結(jié)構(gòu)部位)；應(yīng)力水平高，并且嚴(yán)重應(yīng)力集中

6、的部位；剛度不足振動較強(qiáng)的部位。第12頁/共39頁 (4) 材料的理化、機(jī)械、工藝等特性。如采用對疲勞和缺口比較敏感的材料制成的結(jié)構(gòu)件。 (5)零、構(gòu)件所處的環(huán)境條件。如振動、腐蝕、高溫、高壓等，其中對經(jīng)常承受高溫和腐蝕介質(zhì)的部位應(yīng)重點(diǎn)考慮為危險部位。 (6)可檢查度及維護(hù)、更換的可能性。對不可檢結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮選為危險部位。 (7)強(qiáng)度計算、試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，試飛中發(fā)生過故障，以及根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可判斷為易出故障的結(jié)構(gòu)部位，均應(yīng)選作危險部位 (8)對施工困難，工藝質(zhì)量、表面質(zhì)量不易保證，費(fèi)用大、生產(chǎn)周期長的部位應(yīng)作為著重考慮的部位。損傷容限危險部位的確定 第13頁/共39頁損傷容限危險部位的確定

7、第14頁/共39頁F-111關(guān)鍵鋼結(jié)構(gòu)第15頁/共39頁F-4危險部位 考慮到破壞的后果，結(jié)構(gòu)型式和危險程度，根據(jù)全機(jī)疲勞和部隊(duì)使用經(jīng)驗(yàn)確定危險區(qū)域。對100多個不同危險程度的區(qū)域進(jìn)行篩選，詳細(xì)研究了50個區(qū)域，其中39個區(qū)域被鑒定為危險區(qū)域。下表給出主要結(jié)構(gòu)部件中通常關(guān)心的區(qū)域：部件部件危險部位危險部位機(jī)身機(jī)身蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔邊裂紋蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔邊裂紋油箱裂紋；發(fā)動機(jī)架油箱裂紋；發(fā)動機(jī)架機(jī)翼機(jī)翼下表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔邊裂紋下表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔邊裂紋外翼折迭肋處裂紋外翼折迭肋處裂紋尾翼尾翼安定面蒙皮；垂直指形板安定面蒙皮；垂直指形板第16頁/共39頁要求全尺寸損傷容限試驗(yàn)的結(jié)構(gòu) 對一架新研

8、制的飛機(jī)，通常全尺寸損傷容限試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)項(xiàng) 目包括(不限于如下項(xiàng)目) 機(jī)身氣密艙 機(jī)身與機(jī)翼的結(jié)合部 發(fā)動機(jī)架或接頭 前緣襟翼 后緣襟翼與副翼 機(jī)體結(jié)構(gòu)的大型鍛件 前起落架部件 主起落架部件 全機(jī)，帶一段機(jī)身的機(jī)翼，帶一段機(jī)翼和一段尾翼的機(jī)身 第17頁/共39頁本講內(nèi)容321損傷容限設(shè)計概念和原理損傷容限設(shè)計概念和原理破損安全結(jié)構(gòu)破損安全結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計對象損傷容限設(shè)計對象4損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法第18頁/共39頁破損安全結(jié)構(gòu)定義和分類 按損傷容限的觀點(diǎn)，在使用中結(jié)構(gòu)的某些部分產(chǎn)生裂紋，要求通過定期檢查發(fā)現(xiàn)這些裂紋前，還能承受足夠的載荷，此類結(jié)構(gòu)稱為破損安全結(jié)構(gòu)。 破損安全

9、結(jié)構(gòu)可分三種類型：Q 緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)Q 多傳力途徑-破損安全結(jié)構(gòu)Q 破損安全止裂結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)倪x擇結(jié)構(gòu)類型式進(jìn)行損傷容限設(shè)計的第一步。第19頁/共39頁緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu) 緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)是根據(jù)結(jié)構(gòu)中的缺陷或瑕疵不允許達(dá)到不穩(wěn)定快速擴(kuò)展所要求的裂紋臨界尺寸設(shè)計概念所設(shè)計的結(jié)構(gòu)。 在未修理的使用周期內(nèi)，亞臨界裂紋擴(kuò)展階段結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不應(yīng)下降到規(guī)定的限度以下。 該結(jié)構(gòu)是通過使用周期內(nèi)緩慢裂紋擴(kuò)展來保證安全。第20頁/共39頁緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點(diǎn)Q 這種方法使用起來簡單可靠，分析工作量少，安全儲備較大這類結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)材料的裂紋擴(kuò)展速率較低，而且應(yīng)設(shè)計成其初始缺陷擴(kuò)展到臨界裂紋尺寸的壽命大于規(guī)定的飛機(jī)

10、檢修期。Q從設(shè)計概念而言，這類結(jié)構(gòu)多屬于單傳力途徑結(jié)構(gòu)或靜定結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)。Q從可檢度方面而言，只有場站或基地級可檢與使用中不可檢的結(jié)構(gòu)適用于緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。第21頁/共39頁多傳力途徑-破損安全結(jié)構(gòu)多傳力途徑-破損安全結(jié)構(gòu)是由多個元件或分段組成多條傳力途徑的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分段可控制局部損傷，從而防止結(jié)構(gòu)安全破壞。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修理使用周期中，強(qiáng)度不降低到規(guī)定水平下。該結(jié)構(gòu)通過殘存結(jié)構(gòu)在后續(xù)檢查前緩慢裂紋擴(kuò)展保證安全。第22頁/共39頁多傳力途徑破損安全結(jié)構(gòu)要求 ：在主傳力途徑失效前，要求結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)在最小未修使用期內(nèi)可能遭遇到的最大載荷。 ：在主傳力途徑失效時，殘存結(jié)構(gòu)必須有能力承受引起傳力

11、途徑失效的載荷，再加上由斷裂元件轉(zhuǎn)嫁過來的載荷； ：必須有足夠強(qiáng)的緊固件以保證失效結(jié)構(gòu)上的載荷傳遞到殘存結(jié)構(gòu)上。第23頁/共39頁設(shè)計實(shí)例 機(jī)翼、尾翼設(shè)計中采用的多梁、多腹板或多桁條結(jié)構(gòu)，都可以看成是一種分散傳力結(jié)構(gòu)布局的多路傳力結(jié)構(gòu)。 多路傳力結(jié)構(gòu)保證破損安全比較可靠，許多重要結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，如機(jī)翼大梁緣條、加強(qiáng)框等往往采用它。但由于工藝復(fù)雜、成本高、重量增加等缺點(diǎn)，使這種方法的使用有一定限制，不是所有受力構(gòu)件都適合采用(a)由三塊整體壁板通過鋼鉚釘連接組成的下翼面；(b)B707飛機(jī)平尾的三緣條結(jié)構(gòu)形式；第24頁/共39頁破損安全止裂結(jié)構(gòu) 破損安全止裂結(jié)構(gòu)是在安全破壞前使裂紋不穩(wěn)定快速擴(kuò)展停止

12、在結(jié)構(gòu)的某一連接區(qū)域內(nèi)而設(shè)計和制造的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過殘存結(jié)構(gòu)中的緩慢裂紋擴(kuò)展和在后續(xù)檢查中覺察損傷來保證安全。一般結(jié)構(gòu)采用多個元件組成，適當(dāng)安置止裂帶。這種設(shè)計概念對于較長較大的構(gòu)件?？紤]采用加筋板是這種結(jié)構(gòu)的典型代表。第25頁/共39頁整體壁板桁條起到止裂帶的作用第26頁/共39頁本講內(nèi)容321損傷容限設(shè)計概念和原理損傷容限設(shè)計概念和原理破損安全結(jié)構(gòu)破損安全結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計對象損傷容限設(shè)計對象4損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法損傷容限設(shè)計內(nèi)容和方法第27頁/共39頁損傷容限設(shè)計要點(diǎn)1.盡量將結(jié)構(gòu)設(shè)計成破損安全結(jié)構(gòu)，具有緩慢裂紋擴(kuò)展特性2.保證結(jié)構(gòu)破損安全的關(guān)鍵是定期進(jìn)行檢查或考驗(yàn)性試驗(yàn)3.正確合理地確

13、定檢查周期是保證結(jié)構(gòu)破損安全的關(guān)鍵4.采用斷裂韌度高、抗裂紋擴(kuò)展性能好的材料第28頁/共39頁 5.最小可檢裂紋尺寸的確定取決于所選用的檢測手段和檢測人員技術(shù)水平；提高檢測靈敏度對提高結(jié)構(gòu)的安全性起非常重要的作用。6.對于較長、較大的零件應(yīng)考慮止裂措施，如采用止裂孔、止裂帶和結(jié)構(gòu)分段等，以防止裂紋快速擴(kuò)展7.合理地控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)力水平損傷容限設(shè)計要點(diǎn)降低最小可檢裂紋尺寸使檢修周期增加第29頁/共39頁損傷容限設(shè)計步驟 損傷容限設(shè)計目的是保證飛機(jī)的安全性，為此損傷容限設(shè)計工作必須從飛機(jī)總體設(shè)計階段開始。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)型式確定、受力構(gòu)件安排、材料選擇和構(gòu)造工藝方法確定等均應(yīng)考慮損傷容限設(shè)計原則。盡量

14、將結(jié)構(gòu)設(shè)計成破損安全結(jié)構(gòu)，并具有良好的可檢查性。第30頁/共39頁1.確定設(shè)計使用載荷譜；2.確定飛行安全結(jié)構(gòu)和斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；3.合理選擇材料，兼顧靜強(qiáng)度、剛度和疲勞設(shè)計要求；4.進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類，確定結(jié)構(gòu)類型和檢查級別；5.進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計6.確定初始缺損尺寸7.對關(guān)鍵部位進(jìn)行裂紋擴(kuò)展和剩余強(qiáng)度分析，確定臨界裂紋長度、剩余強(qiáng)度水平和裂紋擴(kuò)展壽命。8.進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷容限實(shí)驗(yàn)9.制定維修計劃，并給出使用維修大綱10.使用期間進(jìn)行跟蹤。設(shè)計步驟第31頁/共39頁損傷容限設(shè)計內(nèi)容1.確定飛行安全結(jié)構(gòu)和斷裂關(guān)鍵結(jié)構(gòu)2.載荷譜和應(yīng)力譜確定Q 高低載荷的排列順序問題Q 高載的截取問題Q 低載的截除問題第32頁/

15、共39頁幾種典型譜型第33頁/共39頁3.初步確定損傷容限設(shè)計結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計類型由設(shè)計概念和可檢查度兩項(xiàng)來決定。損傷容限設(shè)計內(nèi)容第34頁/共39頁結(jié)構(gòu)類型的選用原則 Q場站級或基地級可檢結(jié)構(gòu)和使用中不可檢結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)Q飛行明顯可檢結(jié)構(gòu)、地面明顯可檢結(jié)構(gòu)、目視可檢結(jié)構(gòu)、特殊目視可檢結(jié)構(gòu)和場站級或基地級可檢結(jié)構(gòu)原則上設(shè)計成破損安全止裂結(jié)構(gòu)或破損安全多傳力途徑結(jié)構(gòu)。Q表面結(jié)構(gòu)一般為可檢結(jié)構(gòu)，可考慮設(shè)計成破損安全結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)為不可檢結(jié)構(gòu)時，應(yīng)設(shè)計成緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)Q易更換的結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)破損安全設(shè)計；不易更換的結(jié)構(gòu)以采取緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)為宜。Q靜定結(jié)構(gòu)是單傳力途徑結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)計成緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。靜不定結(jié)構(gòu)增加了結(jié)構(gòu)的安全度，是實(shí)現(xiàn)多傳力途徑的基礎(chǔ),應(yīng)盡可能設(shè)計成破損安全多傳力途徑或破損安全止裂結(jié)構(gòu)第35頁/共39頁F104G機(jī)翼結(jié)構(gòu)米格21機(jī)翼結(jié)構(gòu)單鉸點(diǎn)軸承式變后掠機(jī)翼全動平尾大軸第36頁/共39頁Q當(dāng)破損安全的要求有一部分不能滿足，或者進(jìn)行緩慢裂紋擴(kuò)展分析不復(fù)雜時，可以把多傳力途徑的結(jié)構(gòu)看作是緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)Q對于一些特殊的結(jié)構(gòu)件，如氣密座艙、整體油箱，設(shè)計類型的選擇應(yīng)做特殊考慮。這類構(gòu)件不允許采用破損安全設(shè)計，而應(yīng)采用緩慢裂紋擴(kuò)展設(shè)計，并有適當(dāng)止裂措施。結(jié)