飞机结构强度绪论.pdf

飞机结构强度飞机结构强度 绪论绪论 1、飞机结构设计思想的演变、飞机结构设计思想的演变 2、发展趋势、发展趋势 1 1、飞机结构设计思想的演变、飞机结构设计思想的演变 广义结构强度包括广义结构强度包括强度、刚度、稳定性、耐久性、强度、刚度、稳定性、耐久性、 损伤容限、完整性、可靠性和耐环境能力损伤容限、完整性、可靠性和耐环境能力等飞行器等飞行器 结构强度分析所指的就是这种广义的结构强度足够结构强度分析所指的就是这种广义的结构强度足够 的强度是保证飞行器结构安全可靠的必要条件飞行的强度是保证飞行器结构安全可靠的必要条件飞行 器结构应该在保证强度足够的前提下，设计得最轻、器结构应该在保证强度足够的前提下，设计得最轻、 最经济、最简单，以提高飞行性能、有效载荷并使制最经济、最简单，以提高飞行性能、有效载荷并使制 造、使用和维护方便造、使用和维护方便尽量减少重量又会引起各种新尽量减少重量又会引起各种新 的强度问题的强度问题所以飞行器结构强度的研究是一项极其所以飞行器结构强度的研究是一项极其 精确、复杂的工作，已形成一门应用学科精确、复杂的工作，已形成一门应用学科 1 1、飞机结构设计思想的演变、飞机结构设计思想的演变 •静强度设计阶段静强度设计阶段 •静、动强度设计阶段（刚度，防颤振要求）静、动强度设计阶段（刚度，防颤振要求） •静强度、动强度、疲劳安全寿命设计阶段静强度、动强度、疲劳安全寿命设计阶段 •静动强度、疲劳安全寿命和损伤容限设计阶段静动强度、疲劳安全寿命和损伤容限设计阶段 •基本设计方法基本设计方法 返回 •静强度设计阶段静强度设计阶段 2020世纪早期的飞机结构是按静强度的要求世纪早期的飞机结构是按静强度的要求 进行设计的。

所谓进行设计的所谓““静强度静强度””是指是指““不存在初不存在初 始缺陷，没有意外损伤，腐蚀损伤和疲劳损伤始缺陷，没有意外损伤，腐蚀损伤和疲劳损伤 情况下的结构强度情况下的结构强度””为了寻求安全可靠、重为了寻求安全可靠、重 量最轻的结构，飞机结构采用按破坏载荷设计量最轻的结构，飞机结构采用按破坏载荷设计 的原则，即把使用中出现的最大载荷（的原则，即把使用中出现的最大载荷（使用载使用载 荷荷）乘以某个倍数（此倍数即为安全系数）得）乘以某个倍数（此倍数即为安全系数）得 设计载荷设计载荷，按此设计载荷求得的结构中最大应，按此设计载荷求得的结构中最大应 力不应大于材料所允许的最大应力力不应大于材料所允许的最大应力 返回 , daud PfP PP=≥ •静、动强度设计阶段（刚度，防颤振要求）静、动强度设计阶段（刚度，防颤振要求） 刚度刚度 早期对于低性能飞机的结构，人们只提出早期对于低性能飞机的结构，人们只提出 简单的强度要求，例如在简单的强度要求，例如在19031903年，莱特兄弟对他们第年，莱特兄弟对他们第 一架飞机结构的要求是能够承受一架飞机结构的要求是能够承受5 5倍于驾驶员重量的载倍于驾驶员重量的载 荷。

但即使在莱特兄弟时代，承载能力足够的飞机，荷但即使在莱特兄弟时代，承载能力足够的飞机， 也曾也曾因刚度不足而失事因刚度不足而失事就在莱特兄弟飞机试飞前几就在莱特兄弟飞机试飞前几 天，美国人天，美国人S.P.S.P.兰利设计和驾驶的单翼机就在试飞时兰利设计和驾驶的单翼机就在试飞时 因因机翼扭转刚度（发散）机翼扭转刚度（发散）不足引起过度变形而失事不足引起过度变形而失事 从此对结构刚度给予了足够的重视从此对结构刚度给予了足够的重视 当速压达到一定当速压达到一定 值时翼面变形会值时翼面变形会 无限增大，称为无限增大，称为 发散是静气动发散是静气动 弹性响应问题弹性响应问题 颤振颤振 在第一次世界大战期间，为了提高飞机的在第一次世界大战期间，为了提高飞机的 飞行速度，采用阻力小的单翼机当时虽然注意飞行速度，采用阻力小的单翼机当时虽然注意 了刚度要求，仍屡次发生尾翼颤振和机翼颤振现了刚度要求，仍屡次发生尾翼颤振和机翼颤振现 象尤其是象尤其是3030～～4040年代英国年代英国““蛾蛾””号飞机和号飞机和““鸽鸽”” 号飞机的号飞机的颤振失事颤振失事，促使人们，促使人们研究结构变形与空研究结构变形与空 气动力的交互作用气动力的交互作用，并创立了一门新的学科，并创立了一门新的学科──── 气动弹性力学。

气动弹性力学 •静、动强度设计阶段（刚度，防颤振要求）静、动强度设计阶段（刚度，防颤振要求） maxd vv≤ 颤振是由于弹性力、惯性力颤振是由于弹性力、惯性力 和空气动力交互作用所引起和空气动力交互作用所引起 的不稳定的自激运动，是动的不稳定的自激运动，是动 气动弹性响应问题气动弹性响应问题 返回 疲劳疲劳 飞行器不断向大型、高速、长寿命、全天候使飞行器不断向大型、高速、长寿命、全天候使 用等方向发展，使结构所受的载荷增大而作用次数增多；用等方向发展，使结构所受的载荷增大而作用次数增多； 另一方面，为了提高结构效率，采用了高强度材料和高另一方面，为了提高结构效率，采用了高强度材料和高 的应力水平，这就使疲劳问题变得突出的应力水平，这就使疲劳问题变得突出19541954年英国年英国 ““彗星彗星””号喷气旅客机连续发生气密座舱爆裂，轰动了号喷气旅客机连续发生气密座舱爆裂，轰动了 世界，经过对残骸断口的仔细检查，世界，经过对残骸断口的仔细检查，发现爆裂是由疲劳发现爆裂是由疲劳 裂纹扩展引起的裂纹扩展引起的事后世界各航空发达国家都开始重视事后世界各航空发达国家都开始重视 疲劳分析和试验，促进了疲劳研究的发展。

疲劳分析和试验，促进了疲劳研究的发展 •静强度、动强度、疲劳安全寿命设计阶段静强度、动强度、疲劳安全寿命设计阶段 1sd NN≤ 返回 在交变应力作用下，材料抵抗裂纹扩展和断在交变应力作用下，材料抵抗裂纹扩展和断 裂能力减弱的现象，称为疲劳课本）裂能力减弱的现象，称为疲劳课本） 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多 的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的 材料中所发生的局部的、永久结构变化的发材料中所发生的局部的、永久结构变化的发 展过程，称为疲劳美国试验与材料协会）展过程，称为疲劳美国试验与材料协会） •静动强度、疲劳安全寿命和损伤容限设计阶段静动强度、疲劳安全寿命和损伤容限设计阶段 断裂断裂 19691969年美国年美国 F F- -111111战斗机发生机翼脱落而坠毁战斗机发生机翼脱落而坠毁 的严重事故，经检查发现是机翼变后掠枢轴中存在的的严重事故，经检查发现是机翼变后掠枢轴中存在的 初始缺陷经裂纹扩展而造成的这是一种未能预计到初始缺陷经裂纹扩展而造成的这是一种未能预计到 的意外的意外初始缺陷，在传统的疲劳设计中没有考虑初始缺陷，在传统的疲劳设计中没有考虑。

于于 是突破了原来基于不使结构中存在裂纹或尽量延迟裂是突破了原来基于不使结构中存在裂纹或尽量延迟裂 纹形成的设计思想，纹形成的设计思想，假定结构中不可避免地存在意外假定结构中不可避免地存在意外 初始损伤初始损伤，重点转向带裂纹结构的分析，提出了以断，重点转向带裂纹结构的分析，提出了以断 裂力学学科为基础的裂力学学科为基础的飞行器损伤容限设计飞行器损伤容限设计思想 年份年份 飞机飞机 破坏情况破坏情况 疲劳试验验证时间疲劳试验验证时间 破坏时间破坏时间 1969 F－－111 机翼枢轴接头断裂机翼枢轴接头断裂 40 000 ≈100 1970 F－－5A 机翼中部切面断裂机翼中部切面断裂 ≈16 000 ≈1 000 1973 F－－4 机翼与机身对接处机翼与机身对接处 下耳片断裂下耳片断裂 11 800 1 200 返回 静强度静强度 刚度刚度 疲劳疲劳 断裂断裂 无限寿命设计无限寿命设计 安全寿命设计安全寿命设计 损伤容限设计损伤容限设计 耐久性设计耐久性设计 低应力水平，疲劳极限低应力水平，疲劳极限 材料不能充分发挥材料不能充分发挥 有限寿命内，不发生破坏有限寿命内，不发生破坏。

S-N曲线，曲线，累积损伤理论累积损伤理论 有裂纹，在定期检查时能发有裂纹，在定期检查时能发 现之前，裂纹不会扩展到能现之前，裂纹不会扩展到能 够引起破坏够引起破坏剩余强度、损剩余强度、损 伤增长、检测周期伤增长、检测周期 保证结构安全为目的保证结构安全为目的 以结构以结构一个或几个一个或几个最最 危险细节的疲劳破坏危险细节的疲劳破坏 代表整个结构的破坏代表整个结构的破坏 可能发生疲劳破坏的细节全体可能发生疲劳破坏的细节全体 既考虑结构使用安全又追求更既考虑结构使用安全又追求更 好的使用维修经济性好的使用维修经济性 发展发展 •基本设计方法基本设计方法 损伤容限损伤容限 耐久性耐久性 研究对象研究对象 最危险部位的一个或几最危险部位的一个或几 个大尺寸裂纹个大尺寸裂纹 各细节处存在的小尺寸裂纹群各细节处存在的小尺寸裂纹群 研究方法研究方法 确定性裂纹扩展分析确定性裂纹扩展分析 概率断裂力学概率断裂力学 研究内容研究内容 裂纹尺寸随时间的增长裂纹尺寸随时间的增长 裂纹尺寸分布随时间的变化裂纹尺寸分布随时间的变化 研究目的研究目的 在可检期内发现裂纹，在可检期内发现裂纹， 保证安全保证安全 控制损伤程度，确定经济寿命控制损伤程度，确定经济寿命 耐久性分析与损伤容限设计的比较耐久性分析与损伤容限设计的比较 耐久性设计考虑了结构中可能出现裂纹的耐久性设计考虑了结构中可能出现裂纹的所有细节所有细节 群群，可以定量的评价结构的，可以定量的评价结构的初始制造质量初始制造质量；比较真实合理；比较真实合理 地预测结构在地预测结构在使用过程中的损伤使用过程中的损伤；给出；给出经济寿命经济寿命，进而能，进而能 综合控制结构的设计、制造、使用和维修，寻求更好的综合控制结构的设计、制造、使用和维修，寻求更好的经经 济效益济效益。

经济寿命等于全尺寸结构耐久性试验或分析寿命经济寿命等于全尺寸结构耐久性试验或分析寿命 除以分散系数可以说耐久性设计是结构抗疲劳断裂设计除以分散系数可以说耐久性设计是结构抗疲劳断裂设计 思想的一次思想的一次飞跃飞跃 返回 2 2、发展趋势、发展趋势 国际民航研究报告国际民航研究报告 国际民航研究报告国际民航研究报告 国际民航研究报告国际民航研究报告 国际民航研究报告国际民航研究报告 国际民航研究报告国际民航研究报告 2 2、发展趋势、发展趋势 •经济性问题经济性问题 •可靠性设计问题可靠性设计问题 •全尺寸结构实验问题全尺寸结构实验问题 •日历寿命问题日历寿命问题 •全机使用寿命的确定方法全机使用寿命的确定方法 返回 •经济性问题经济性问题 如何在结构设计中考虑经济性问题，是当前结如何在结构设计中考虑经济性问题，是当前结 构设计中需要解决的问题之一经济寿命大于或等于设构设计中需要解决的问题之一经济寿命大于或等于设 计使用寿命经济寿命等于全尺寸结构耐久性试验或分计使用寿命经济寿命等于全尺寸结构耐久性试验或分 析寿命除以分散系数析寿命除以分散系数 耐久性设计方法很多，但目前没有成耐久性设计方法很多，但目前没有成 熟、较经济的耐久性设计方法，有待进一熟、较经济的耐久性设计方法，有待进一 步研究。

步研究 目前，建立经济寿命准则有两种形式目前，建立经济寿命准则有两种形式 （（1 1）裂纹超越数概率准则）裂纹超越数概率准则 （（2 2）修理）修理/ /更换费用比准则更换费用比准则 返回 •可靠性设计问题可靠性设计问题 结构可靠性：是结构在规定的条件下和规定的时间内完成结构可靠性：是结构在规定的条件下和规定。