第五章 金屬耐久性設(shè)計(jì)

1、第五章第五章金屬結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)關(guān)志東關(guān)志東5.1 耐久性設(shè)計(jì)概述耐久性設(shè)計(jì)的定義定義：耐久性是指在規(guī)定期限內(nèi)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂、腐蝕、熱退化、剝離、磨損和外來損傷作用的能力。耐久性設(shè)計(jì)的目的目的：是確保飛機(jī)結(jié)構(gòu)在整個(gè)使用壽命期間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、維形、保壓和運(yùn)動(dòng)功能可靠和最經(jīng)濟(jì)的維修使飛機(jī)經(jīng)常處于良好的適航狀態(tài)。（安全性、經(jīng)濟(jì)性）耐久性設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則準(zhǔn)則：設(shè)計(jì)使用壽命經(jīng)濟(jì)壽命= （全尺寸結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)或分析壽命）經(jīng)濟(jì)壽命是指當(dāng)若干疲勞、意外損傷和/或環(huán)境侵蝕引起結(jié)構(gòu)的損傷情況使飛機(jī)不能通過可能接受的經(jīng)濟(jì)維修方式保持其適航狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 215.1 耐久性設(shè)計(jì)概述經(jīng)濟(jì)壽命準(zhǔn)則

2、：經(jīng)濟(jì)壽命準(zhǔn)則： (1)裂紋超越數(shù)概率準(zhǔn)則 載給定使用時(shí)間，裂紋尺寸超過極限裂紋尺寸的細(xì)節(jié)數(shù)量稱為裂紋超越數(shù)。裂紋超越數(shù)所占結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)總數(shù)的比率稱為裂紋超越數(shù)概率。 當(dāng)裂紋超越概率達(dá)到一定許用值時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到其經(jīng)濟(jì)壽命。 (2)修理/更換費(fèi)用比準(zhǔn)則 結(jié)構(gòu)中裂紋超越數(shù)增加使修理費(fèi)用增加，修理與更換費(fèi)用超過一定限度后，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到其經(jīng)濟(jì)壽命。5.1 耐久性設(shè)計(jì)概述結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法：結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法： （1）傳統(tǒng)疲勞設(shè)計(jì)分析法。 （2）確定性裂紋擴(kuò)展方法。 （3）概率斷裂力學(xué)法。耐久性設(shè)計(jì)的要求：耐久性設(shè)計(jì)的要求： 1.一般要求 （1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壽命必須超過一倍的使用壽命。 （2）低于一

3、倍設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)不允許出現(xiàn)功能性的損傷。 （3）由設(shè)計(jì)分析得到的經(jīng)濟(jì)壽命需要得到試驗(yàn)驗(yàn)證。5.1 耐久性設(shè)計(jì)概述 2.設(shè)計(jì)分析階段要求 （1）設(shè)計(jì)分析時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)的初始質(zhì)量、材料特性、工藝方法、載荷和環(huán)境等因素。 （2）設(shè)計(jì)分析時(shí)采用的原始數(shù)據(jù)和元件耐久性分析數(shù)據(jù)應(yīng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證。 （3）設(shè)計(jì)分析時(shí)采用的載荷/環(huán)境譜和實(shí)驗(yàn)時(shí)一致。 （4）得到經(jīng)濟(jì)壽命大于或等于兩倍使用壽命。 3.耐久性實(shí)驗(yàn)要求 （1）試驗(yàn)件必須是真實(shí)飛機(jī)生產(chǎn)線上加工成型的全尺寸結(jié)構(gòu) （2）在決定飛機(jī)生產(chǎn)前，對(duì)全尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行一倍使用時(shí)間的耐久性試驗(yàn)，然后對(duì)臨界結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行檢查。 （3）對(duì)于批量生產(chǎn)，對(duì)全尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩倍使用時(shí)間的耐

4、久性試驗(yàn)，然后對(duì)臨界結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行檢查。5.1 耐久性設(shè)計(jì)概述 4.當(dāng)全尺寸結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)未達(dá)到兩倍使用壽命時(shí)，則要求： （1）結(jié)束耐久性試驗(yàn)，先進(jìn)行無損檢查，然后作拆毀檢查。 （2）結(jié)束耐久性試驗(yàn)，進(jìn)行損傷容限試驗(yàn)，然后作拆毀檢查。 （3）在審定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，然后按上述兩條之一進(jìn)行。 在結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)中，耐久性設(shè)計(jì)是在安全壽命設(shè)計(jì)和損傷容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)綜合性設(shè)計(jì)新技術(shù)。目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)采用安全壽命設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)任務(wù)、目標(biāo)、規(guī)范要求、理論和設(shè)計(jì)技術(shù)等方面看，這三種設(shè)計(jì)之間存在著顯著的差別。5.1 耐久性設(shè)計(jì)概述序序號(hào)號(hào)對(duì)比項(xiàng)目對(duì)比項(xiàng)目安全壽命設(shè)計(jì)

5、安全壽命設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì)耐久性設(shè)計(jì)耐久性設(shè)計(jì)1 1任務(wù)確定安全使用壽命確定保證安全的檢修周期確定經(jīng)濟(jì)壽命2 2目的安全性安全性功能可靠（含安全性）、低維修成本3 3適用范圍影響飛行安全的結(jié)構(gòu)影響飛行安全的結(jié)構(gòu)飛機(jī)的所有主要和次要結(jié)構(gòu)和所有材料4 4每次分析對(duì)象一個(gè)零、部件、或整機(jī)一個(gè)零、部件一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件、組件、整個(gè)部件、整機(jī)或機(jī)隊(duì)5 5裂紋尺寸無裂紋較長，一般在1mm以上較小的亞臨界裂紋，主要在1mm以下6 6裂紋數(shù)量無一條或幾條主裂紋一條或裂紋群7 7初始缺陷無1般在1mm以上0 0.3mm5.1 耐久性設(shè)計(jì)概述8 8最終裂紋尺寸疲勞破壞臨界裂紋尺寸0.8mm臨界9 9載荷譜飛

6、續(xù)飛譜或程序塊譜飛續(xù)飛譜/環(huán)境譜飛續(xù)飛譜/環(huán)境譜1010分析方法（1）應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法（2）局部應(yīng)變法（3）常規(guī)疲勞方法確定性裂紋擴(kuò)展方法（1）概率斷裂力學(xué)（2）確定性裂紋擴(kuò)展方法（3）改進(jìn)的疲勞分析法1111試件型式不允許預(yù)制裂紋允許預(yù)制相應(yīng)的裂紋源按批生產(chǎn)典型工藝要求生產(chǎn)試件，不預(yù)制裂紋1212要求全尺寸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)間至少四倍設(shè)計(jì)使用壽命可少于或等于兩倍設(shè)計(jì)使用壽命至少兩倍設(shè)計(jì)使用壽命1313維修周期定期修理或更換確定維修周期確定經(jīng)濟(jì)壽命時(shí)經(jīng)濟(jì)維修5.2概率斷裂力學(xué)方法(PFMA)采用概率斷裂力學(xué)方法(PFMA)是以某個(gè)完整結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)群作為研究對(duì)象，研究該結(jié)構(gòu)內(nèi)全部相同細(xì)節(jié)的裂紋尺寸隨時(shí)間的變

7、化規(guī)律，從而得到損傷度與使用時(shí)間的關(guān)系，按照裂紋超越數(shù)概率準(zhǔn)則或修理/更換費(fèi)用比準(zhǔn)則確保耐久性設(shè)計(jì)要求與目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?；舅枷耄篜FMA方法是將結(jié)構(gòu)的某種細(xì)節(jié)的整體的原始疲勞質(zhì)量(IFQ)用一個(gè)隨機(jī)變量當(dāng)量初始裂紋尺寸(EIFS)表示。EIFS是通過結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的試件施加幾種不同應(yīng)力水平下的指定載荷譜所得的裂紋形成時(shí)間TTCI分布通過裂紋擴(kuò)展控制曲線推算而得的。結(jié)合EIFS和裂紋擴(kuò)展方程，用概率統(tǒng)計(jì)的方法確定指定使用時(shí)間下裂紋尺寸超越指定參考裂紋尺寸的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)數(shù)，從而確定損傷度。 基本假設(shè)： （1）沿裂紋擴(kuò)展方向上所測(cè)量的疲勞裂紋長度作為耐久性損傷的基本度量。 （2）結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在給定載荷譜作用下達(dá)到某

8、一指定裂紋尺寸 值所經(jīng)理的時(shí)間TTCI服從三參數(shù)Weibull分布。ra5.2概率斷裂力學(xué)方法(PFMA) PFMA的一般步驟： （1）確定耐久性分析對(duì)象和范圍。 （2）對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)群進(jìn)行應(yīng)力區(qū)劃分。 （3）按各個(gè)應(yīng)力水平區(qū)，對(duì)需要進(jìn)行損傷評(píng)定范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)確定原始疲勞質(zhì)量IFQ或當(dāng)量初始缺陷尺寸EIFS。然后確定通用EIFS分布。 （4）對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)群，確定各應(yīng)力區(qū)的使用期裂紋擴(kuò)展控制曲線(SCGMC)。 （5）確定各應(yīng)力區(qū)的裂紋超越數(shù)概率和裂紋超越數(shù)，從而確定每個(gè)細(xì)節(jié)群的裂紋超越數(shù)和結(jié)構(gòu)的裂紋超越數(shù)。 （6）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷度平谷和經(jīng)濟(jì)壽命預(yù)測(cè)。 （7）給出合理的結(jié)構(gòu)修理大綱及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)壽命

9、，判斷其是否可以達(dá)到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命。5.2概率斷裂力學(xué)方法(PFMA)幾個(gè)概念：IFQIFQ：表征結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)原始疲勞品質(zhì)的參量或模型稱原始疲勞質(zhì)量模型。它表示了材料質(zhì)量，結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)誤差、工藝過程中加工質(zhì)量等對(duì)疲勞品質(zhì)的影響。合理地確定IFQ是結(jié)構(gòu)耐久性分析，評(píng)估損傷度，預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)壽命的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。 TTCITTCI：是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在給定載荷譜作用下達(dá)到某一指定裂紋尺寸 值所經(jīng)歷的時(shí)間，簡(jiǎn)寫為T。TTCI是一個(gè)隨機(jī)變量，與載荷譜及指定的 值有關(guān)。EIFSEIFS：是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)在使用前所包含的假想的初始缺陷尺寸，它表征結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)所包含的真實(shí)初始缺陷尺寸的當(dāng)量影響。EIFS是一個(gè)隨機(jī)變量，在指定載荷譜、應(yīng)

10、力水平和參考裂紋尺寸 情況下，EIFS是裂紋形成時(shí)間TTCI的函數(shù)。 rarara原始疲勞質(zhì)量模型原始疲勞質(zhì)量模型指定載荷譜與 下的隨機(jī)變量TTCI服從三參數(shù)Weibull分布，用t表示隨機(jī)變量TTCI的取值，則TTCI的概率密度函數(shù)為：TTCI的累積分布函數(shù)為：式中， 為形狀參數(shù)； 為比例參數(shù)； 為TTCI的下界或最小參數(shù)1( )expTttf tt( )1 expTtF t tra原始疲勞質(zhì)量模型用X表示EIFS的隨機(jī)變量，x表示EIFS的取值，則EIFS分布的概率密度函數(shù)為： EIFS的累積分布為：式中， 是裂紋擴(kuò)展方程指數(shù)；Q為da/dt方程參數(shù)， 為比例參數(shù)； 為EIFS的上限； 為

11、形狀參數(shù)。 1111exp11bbbbuuxbxxxxfxQbQbQx0uxx 11exp1bbuxxxFxbQ0uxxuxb原始疲勞質(zhì)量模型裂紋擴(kuò)展方程：在TTCI期間內(nèi)的小裂紋擴(kuò)展速率可由下式表示，即： 式中Q、b為依賴于載荷譜、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和材料特性的參數(shù)。當(dāng)載荷譜形式確定時(shí)，常假設(shè)指數(shù)b與應(yīng)力水平無關(guān)。 其中Q、b的值由TTCI試驗(yàn)所得到的一組n個(gè)試件的m對(duì) 數(shù)據(jù)處理而得到。先擬合曲線，然后取對(duì)數(shù)，用線性回歸確定參數(shù)Q、b。將裂紋擴(kuò)展速率方程表示為： bda tQ a tdt(, )kka t1bdtdaaQ原始疲勞質(zhì)量模型積分上式得：令 ，則上式為： 21211121111 1atbat

12、bbttdaaQa ta tQb1cb 11221()cca ta tcQ tt通用EIFS分布以上建立的EIFS分布僅適用于某一應(yīng)力水平結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)群將存在不同的應(yīng)力水平。要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)群進(jìn)行耐久性評(píng)估，勢(shì)必要建立與應(yīng)力水平無關(guān)的通用的EIFS分布。通用的當(dāng)量的初始缺陷尺寸(EIFS)分布只依賴材料、幾何參數(shù)、載荷譜形式、制造/裝配過程等，與應(yīng)力水平、傳遞載荷和環(huán)境等無關(guān)。為了使TTCI值的積累分布概率與斷口觀察的結(jié)果一致，則采用參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)則方法，即預(yù)測(cè)值和斷口觀察結(jié)果的偏差平方和(SSE)最小。1指定 下通用EIFS參數(shù) 與首先確定 與 ，然后對(duì)不同的 ， 的 、

13、 值選擇最優(yōu)的 、 、 、 的組合。rararauxuxuxQQ(,)rua xQ通用EIFS分布（1）參考裂紋尺寸 的確定 是選定值，無一定的計(jì)算方法，通常在相對(duì)小的裂紋尺寸范圍內(nèi)選取，應(yīng)滿足 。 為斷口金相分析裂紋尺寸的上界。（2） 參數(shù)的確定 為當(dāng)量初始裂紋尺寸EIFS的上界。調(diào)整 和 的值，既調(diào)整TTCI分布的下界 值，從而可改善TTCI數(shù)據(jù)的擬合精度。 選取值范圍應(yīng)滿足：當(dāng)b=1時(shí)， 當(dāng)b1時(shí) 111ln/,1 exp 0 ,0 uiiuiuxyp iyxQp iyx 111(),1 exp 0,0 cciuiuiuyxp iyxcQp iyx 2各應(yīng)力區(qū)的裂紋超越數(shù)（1）第i個(gè)應(yīng)力區(qū)域中的裂紋超越數(shù)（2）結(jié)構(gòu)的裂紋超越數(shù) ,iiN iNp i1/2,1,NiiNp ip i 1,miLN