飛機的靜強度設計

1、王曉軍航空科學與工程學院固體力學研究所飛機的靜強度設計1 前 言 靜強度屬于結構的靜力學設計問題，即主要關心工程上結構元件材料本身的最大承載能力(或稱抗力、強度)。主要考慮結構元件上局部點的工作應力是否有大于其強度極限的危險，問題的分析相對簡單。 靜強度設計方法及準則是飛機結構設計中最基本的設計原則，也是最早發(fā)展成熟的設計規(guī)范之一。它是飛機結構設計活動中首先考慮的基本要求，即結構必須能夠承受飛機使用過程中所遇到的各種載荷，而不破壞，也不至于產(chǎn)生影響到飛機功能的永久變形。 2 設計準則 對飛機結構的靜強度問題，實際是指飛機結構在使用當中承受各種載荷工況下最大使用載荷的能力。不同的載荷工況將導致結

2、構元件的受力狀態(tài)不同，因此，必須全面考察飛機飛行中所遇到的各種載荷狀態(tài)(工況)，而同一載荷工況下，靜強度僅考慮最大載荷值即可。 通常飛機結構靜強度設計采用設計載荷法，即取安全系數(shù)，乘上使用載荷即為設計載荷。一般安全系數(shù)取1.5，有時視情況還需乘上附加安全系數(shù)。 靜強度設計準則為結構的極限載荷(或極限應力)大于、等于結構的設計載荷(或設計應力)，其表達式為：3 靜強度設計步驟 靜強度設計工作步驟為: 獲取結構上作用的載荷數(shù)據(jù)；進行細致的結構內力分析計算；做出強度判斷。 作用于飛機結構上的載荷主要有氣動力載荷、質量力以及連接節(jié)點上的集中力。這些載荷主要由氣動和強度組專業(yè)技術人員提供。 在早先的結構

3、內力分析計算上，由于缺少大型的計算機硬件系統(tǒng)和分析軟件，強度計算僅針對結構的局部部件甚至分成構件，采用材料力學或結構力學的模型簡化方法，逐個進行分析計算。 由于現(xiàn)代計算機技術的蓬勃發(fā)展，特別是結合現(xiàn)代計算技術研究發(fā)展起來的結構數(shù)值分析理論和軟件系統(tǒng)，為大規(guī)模結構計算提供了強有力的工具，不僅結構元件的細節(jié)可細致模型化，而且像一個整體機翼、機身甚至全機那樣多的結構元件也可納入到一個大規(guī)模的結構模型中進行分析。這樣，可大大提高分析精度，特別對元件或構件間的連接關系予以了充分考慮，使得一些關鍵部位的分析更加準確。 4 材料的試驗及其屈服 4.1 4.1 材料拉伸的力學性能材料拉伸的力學性能力學性能指材

4、料受力時在強度和變形方面表現(xiàn)出來的性能。 塑性變形又稱永久變形或殘余變形 彈性變形塑性變形變形塑性材料：斷裂前產(chǎn)生較大塑性變形的材料,如低碳鋼 脆性材料：斷裂前塑性變形很小的材料，如鑄鐵、石料 材料的機械性質通過試驗測定，通常為常溫材料的機械性質通過試驗測定，通常為常溫靜載試驗。試驗方法應按照國家標準進行。靜載試驗。試驗方法應按照國家標準進行。國家標準規(guī)定金屬拉伸試驗方法LL=10d L=5d對圓截面試樣：對矩形截面試樣：0011.3lA005.65lA 國家標準不僅規(guī)定了試驗方法，對試件的形國家標準不僅規(guī)定了試驗方法，對試件的形式也作了詳細規(guī)定式也作了詳細規(guī)定當當 l=10d 時的試件稱為時

5、的試件稱為長試件長試件，為，為推薦尺寸推薦尺寸當當 l=5d 時的試件稱為時的試件稱為短試件短試件，為材料尺寸不，為材料尺寸不足時使用足時使用標準試件材料材料試驗機試驗機材料的力學性能材料的力學性能在材料試驗機上在材料試驗機上進行測試。材料進行測試。材料試驗機的式樣有試驗機的式樣有很多，但大多為很多，但大多為機械傳動或液壓機械傳動或液壓傳動。傳動。PP拉伸圖：拉伸圖：P L 曲線曲線應力應變曲線：應力應變曲線： s e 曲線曲線L0PLs P /A0e L / L0(1) (1) 塑性材料拉伸時的力學性能塑性材料拉伸時的力學性能 O名義應力名義應力(Nominal stress)比例極限比例極

6、限P彈 性 階 段Elastic stage彈性極彈性極限限eBA屈服應力屈服應力sC真應力真應力(True stress)F局 部 化 階 段Localization stage斷裂斷裂E強化階段Hardening stage強度極限強度極限bD屈 服 階 段Yielding stageOs%eaPsbescSsdbs彈性階段彈性階段ps s 比例極限比例極限es s 彈性極限彈性極限e es sE 虎克定律虎克定律 tgE 彈性摸量彈性摸量Pss（）時成立屈服階段屈服階段 ss s 屈服極限屈服極限強化階段強化階段bs s 強度極限強度極限局部變形階段局部變形階段e合金鋼20Cr高碳鋼T1

7、0A螺紋鋼16Mn低碳鋼A3黃銅H62(2) 塑性材料的卸載塑性材料的卸載(unloading)過程過程O殘余殘余( (塑性塑性) )應變應變重 新 加 載重 新 加 載(reloading)彈性回復彈性回復卸載卸載卸載卸載加載加載加載加載lPspsesssbpeeeeseabcdefseeeepe卸載定律卸載定律 冷作硬化冷作硬化 材料在卸載過程中應力與應變成線形關系。稱為：卸載定律 。 在常溫下把材料冷拉到強化階段，然后卸載，當再次加載時，材料的比例極限提高而塑性降低。這種現(xiàn)象稱為冷作硬化冷作硬化。延伸率 (Percent elongation)1100%LLL截面收縮率(Percent

8、reduction in area)1100%AAA 與與 表征材料破壞后的塑性變形程度表征材料破壞后的塑性變形程度。 與試件的原始尺寸與試件的原始尺寸L/d有關；有關； 與與試件的原始尺寸無關。試件的原始尺寸無關。塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料 5% 5% 5% ( (b b) )t t幾種非金屬材料的力學性能混凝土混凝土木材木材b、 高溫、常時工作的構件，會產(chǎn)生高溫、常時工作的構件，會產(chǎn)生蠕變蠕變和和松弛松弛(1) 幾個概念：幾個概念：a、 高溫對材料的力學性能有影響高溫對材料的力學性能有影響d、松弛、松弛(Relaxation)：應變保持不變，應力隨時間：應變保持不變，應力隨時間增加而

9、降低的現(xiàn)象增加而降低的現(xiàn)象c、蠕變、蠕變(Creep)：應力保持不變，應變隨時間增加：應力保持不變，應變隨時間增加而增加的現(xiàn)象而增加的現(xiàn)象4.3 4.3 溫度和時間對材料力學性能的影響溫度和時間對材料力學性能的影響(2) (2) 應力速率對材料力學性能的影響應力速率對材料力學性能的影響dtde ee e時時稱稱為為動動載載 3e e2低碳鋼低碳鋼Ose1靜荷載靜荷載動荷載動荷載0 20 40 60 80 100320300280260240220200應力速率與屈服極限的關系應力速率與屈服極限的關系ss (MPa)s (MPa/s)總趨勢總趨勢: :溫度升高溫度升高, ,E E、s sS S

10、、s sb b下降；下降； 、 增大增大溫度下降溫度下降, , s sb b增大增大 、 減小減小)( C)MPa(s)GPa(E0 100 200 300 400 500216177137700600500400300200100100908070605040302010(%),ESsbs溫度對低碳鋼力學性能的影響溫度對低碳鋼力學性能的影響(2) (2) 短期靜載下溫度對材料力學性能的影響短期靜載下溫度對材料力學性能的影響20001750150012501000 750 500 250 0-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 )MPa(s)(

11、 Cbs2 . 0s80706050403020100(%)溫度對鉻錳合金力學性能的影響溫度對鉻錳合金力學性能的影響溫度降低，塑性降低，強度極限提高溫度降低，塑性降低，強度極限提高 P(kN)-0 5 10 15 302010 0C20C196C253 l(mm)純鐵-0 5 10 15 302010 0C20C196C253 P(kN) l(mm)中碳鋼 溫度降低，溫度降低，s sb增大，為什么結構會發(fā)生低溫脆斷？增大，為什么結構會發(fā)生低溫脆斷？(3) (3) 高溫、長期靜載下材料的力學性能高溫、長期靜載下材料的力學性能金屬材料的高溫蠕變金屬材料的高溫蠕變(Creep)(Creep)（碳鋼（碳鋼350350C C以上）以上）BACDtO構件的工作段不能超過穩(wěn)定階段構件的工作段不能超過穩(wěn)定階段 e tOABCDE不穩(wěn)定不穩(wěn)定階段階段穩(wěn)定階段穩(wěn)定階段加速階段加速階段破壞破壞階段階段 e0材料的蠕變曲線材料的蠕變曲線溫度越高蠕變越快溫度越高蠕變越快應力越高蠕變越快應力越高蠕變越快s1s2s3s4溫度不變1234ssss應力不變4321TTTTe2e1e3初應力越大初應力越大松弛的初速率越大松弛的初速率越大初始彈性應變不變321TTTT1T3T2溫度越高溫度越高松弛的初速率越大松弛的初速率越大蠕