飞机结构设计3.4.1讲解.ppt

1、3.4 损伤容限设计2022-8-71安全寿命设计的不足 对结构的任何关键部位的技术要求一致，导致结构应力 水平偏低，重量偏高；质量控制成本较大。用分散系数保证结构的安全使用，但小概率事件时有发 生。对结构缺陷漏检情况下，难于保障结构的安全。对破损安全结构无技术指导意义。损伤容限概念结构在规定的未修使用周期内、抵抗由缺陷、裂纹或其他损伤而导致破坏的能力。3.4 损伤容限设计2022-8-72 飞机在使用期间或制造初期允许出现裂纹（损伤）,甚至允许主要受力构件发生裂纹（并无危及结构安全）。利用断裂力学理论与实验结果,设计使得结构裂纹在一定限度内（损伤容限设计）,保证结构有足够的剩余强度、刚度（能

2、继续承载）,利用定期的检差维修保证飞机结构使用的安全可靠,而不致发生灾难事故。损伤容限设计概念把握好含裂结构的裂纹的基本特性把握好含裂结构的裂纹的基本特性断裂力学断裂力学3.4 损伤容限设计2022-8-733.4.1 断裂力学基础 断裂力学概念 以含裂体的特征参数(几何、载荷)表征其内力、形变规律，研究含裂体剩余强度规律及破坏准则,包括交变载荷作用下的裂纹演变规律及寿命估算分析等。含裂体基本构形 穿透型；表面椭圆裂纹型；深埋钱币型。3.4.1 断裂力学基础2022-8-74断裂的分类与特征 3.4.1 断裂力学基础2022-8-75线弹性断裂力学基础 n 裂纹尖端附近应力场分布及其应力特征参

3、数（应力强度因子）无穷大板中心一椭圆(a,b)孔边的应力集中 1tKrtbaK或，时，tKba10应力集中增大 ba，0变成裂纹tK3.4.1 断裂力学基础2022-8-76r2 a无穷大薄板穿透裂纹裂尖近区应力分布解 23222232122232122sincossinsinsincossinsincosrKrKrKxyyx19571957年年 (IRWIN)IRWIN)aKfrKijij2（Nm-1.5，MPam），），注意这里的 是远场应力。3.4.1 断裂力学基础2022-8-77211rrRemarks:裂尖有 奇异性,裂尖应力无穷大(理论线弹性体解);K 表征了裂尖弹性应力场强度(

4、数学上的无穷大量级)；理论研究表明:对一定规则几何边界,在剪切、撕裂载荷等方 式下,其K 值为:xyxzKa FKa FKa FWaWafFIsecFi -几何边界修正系数 对于其它裂纹形状,载荷作用位置及几何边界条件等,有:3.4.1 断裂力学基础2022-8-78近裂区应力分布形式不变，即 ijfr，21不变；K 值计算有不同形式。K 显得十分重要,更重要的在于它可作为材料断裂判据,应用方便 ，故作为弹性含裂体的重要应力表征参数,称为应力强度因子。n 应力强度因子的小屈服范围条件修正l 小范围屈服条件:塑性区尺寸远小于构件和裂纹几何尺寸的条件。l 工程中的合金材料都有一定的延性，裂尖区域不

5、可能出现应力奇 异，K值不复存在，线弹性断裂力学理论应用受阻。l 细致研究表明，在小范围屈服条件下，通过某种原则对裂纹长度 进行修正，使得在工程材料中应用线弹性断裂力学的理论成果。3.4.1 断裂力学基础2022-8-79l 应力场等效修正原则:修正后的弹性应力场与实际应力分布在离开裂尖的一个小范围后弹性场的应力分布基本一致。Ryaeffa0 xyeffraa0结 论：2yyRr3.4.1 断裂力学基础2022-8-710l 理想塑性区计算（用Tresca判据计算塑性区形状及大小）)2(231maxss22212)(2xyyxyx将近裂区应力分布代入上式计算)2sin2(2cos2)2sin2

6、(2cos221rKrK)(0213平面应力状态平面应变状态ssssrK2)2sin2(2cos22211平面应力状态的裂尖塑性区形状 3.4.1 断裂力学基础2022-8-711取=0 得理论值：22syKR222)21(syKR平面应力：平面应变：l 实际材料不是理想弹塑性体,且Tresca判据亦有偏差，最终：22222262425.0sssIyyKKKRr，平面应力平面应变222)(1)()(ssyeffcKKcaraaKl 应力强度因子修正计算(弹塑性材料含裂体)3.4.1 断裂力学基础2022-8-712n 断裂（静拉伸载荷下裂纹撕裂）的能量判据l 断裂判据的作用 已知载荷作用下,一

7、定裂纹长度的含裂结构能否破坏(剩余强度)；一定裂纹形状、几何尺寸下,破坏所需的载荷大小(临界载荷)；一定载荷条件下,结构允许的裂纹长度是多少(损伤容限)；l 工程上还关心如下问题：含裂结构在不发生断裂情况下,反复载荷下的裂纹扩展规律；如何确定安全检查周期（决定裂纹检查间隔,决定在怎样维修)。3.4.1 断裂力学基础2022-8-713(Griffith能量理论,适用于脆性材料或小范围屈服条件的金属)l 断裂的能量概念 穿透裂纹的表面微元 daBdA 单位表面能（新生单位裂纹表面所需的能量）：）：材料中原子键 破断的单位面积，为与材料原子间结合力有关的一个材料常数。系统势能：WU U:弹性体的变

8、形能；W:外力位能。系统的能量释放率 A（形成单位裂纹表面系统势能的降低/释放量）新生裂纹面的能量守恒条件 对于一个含裂体的U U、W W 是外载 和裂纹面 A(B daA(B da)的函数 3.4.1 断裂力学基础2022-8-714i)外载作用于含裂体的微元功ddUdWdtddtdUdtdW功 率:dtdWdtdAAWdtdWAWW)(，ii)新生单位裂纹面的外载功率表达式:dtdUdtdAAUdtdUAUU)(，dtdAAdtdA)(AAUAW0dtd考虑静加载条件：3.4.1 断裂力学基础2022-8-715iii）系统的能量释放率 22AGAAAWAUA再记解释:新生单位裂纹表面，系

9、统的能量释放率为一常数(弹性体)；G 为裂纹几何尺寸、形状、位置、外载作用位置的一个力学 表达式(一定情况下有显式表达)；G（量纲为N/m）,可理解为裂纹扩展单位长度所需的力(又称裂纹扩展力/驱动力)；2 2 又可称谓裂纹扩展阻力,取名有 R，Gc 。3.4.1 断裂力学基础2022-8-716l 断裂（裂纹开裂）的能量判据由以上能量守恒条件,当扩展力(驱动力)大于扩展阻力时,能够新生单位裂纹面，即)2(，RGGc（Griffith 能量条件）l 裂纹继续开裂的能量判据稳定扩展:只有进一步增加外载,才能迫使裂纹继续扩展的情况;非稳定扩展:一经开裂，即使外载不增加,裂纹也会迅速扩展下去。显然由裂

10、纹扩展后的能量释放率的降低与增加来决定,这取决于G G的算式 (实际取决于载荷作用方式与含裂体构形)cGGAG&0cGGAG&03.4.1 断裂力学基础2022-8-717l 裂纹扩展的阻力曲线1非稳扩展非稳扩展2稳定扩展稳定扩展a0aR,Gcc2iEAG因工程材料有延性,Gc 不再单纯是单位表面能的函数，需改写为：pcURG2无穷大板中心穿透裂纹板的系统能量释放率：aEG2厚体厚体平面应变平面应变薄板薄板平面应力平面应力c为临界载荷点,只要当 c裂纹一经开裂,迅速发展。3.4.1 断裂力学基础2022-8-718n 应力强度因子断裂判据（K判据）与平面应变断裂韧性 l 能量判据在工程材料中难

11、于应用材料微观结构复杂，2 值分散性太大,与实际工程量有较大出入；U Up p为近裂区的场量，在应用中难以测定与计算。l 使用应力强度因子作为判据的思考2221EGEGGEKEKaEGI弹性能释放率与K K 的数值关系相近 平面应力平面应变K K的计算简单又表征裂尖一点处的应力场强；试验容易获取；关键是场强达到一定时,能否表现为材料 的断裂常数？3.4.1 断裂力学基础2022-8-719BKIC平面应变状态平面应变状态实验表明:仅当在小范围屈服条件(厚板或较短裂纹)，K K为常数。ICICFaK小范围屈服条件：2)(5.2,sICKaWB即满足上式条件下,可应用K KI CI C判据；K K

12、I CI C 称为平面应变断裂韧性。l K判据ICIKK ICIIICIIKKAKKKAK&0&0非稳定扩展稳定扩展3.4.1 断裂力学基础2022-8-720n 工程应用 检查含裂体断裂强度：K KI CI C 标准实验给定，计算K KI I ，由 K KI I=K KIC IC 确定剩余强度：aFKICcaiacic 判断含裂结构的安全性 KI 10-3 m/c nIKcdNda)(inaxIKKKImImParis 公式公式(proper II)KKRKcdNdaICnI)1()(Forman 公式公式(proper III)naxmKRcdNdaIm)1(Walker公式公式(prop

13、er I)3.4.1 断裂力学基础2022-8-726dNdal 影响 的各种因素 频率 f dNda,材料有阻尼，频率太高材料不能及时响应；温度T dNda,裂尖原子获得激活能形成空穴，速率加大；腐蚀,金属氧化、电子丢失（物质传输）、氢脆。dNdal 寿命估算分析NaafRKfdaNRKfdNda0),(),(复杂性：复杂性：高载迟滞效应；da/dN 随机性（外在的载荷、环境随机，内在速率随机）。公式应用的准确性及误差等；a0air0ri3.4 损伤容限设计2022-8-7272022-8-7273.4.2 损伤容限设计基础 损伤容限设计技术的若干方面 n 制定设计规范与设计手册 结构分类、

14、设计原则(从结构的承载安全性要求、使用维护特 性角度，规定结构设计类型，各种结构类型应当有什么样的设 计原则来保证损伤容限体系的贯彻)；结构材料的选择（静强度、断裂韧性及裂纹扩展综合选材）；结构布局（传力路线及止裂设计）,细节设计(抗断裂结构设计)；装配制造工艺控制(加工质量,装配应力控制等)。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7282022-8-728n 结构的损伤容限分析计算 危险部位的选择、分析及确定；载荷和应力谱的分析与制定；初始损伤品质评定(以焊接构件举例)；裂纹扩展计算与寿命估算；剩余强度计算与损伤容限评估。n 结构的损伤容限验证性试验n 结构的使用与维修 结构损伤的无损

15、检测方法；检查能力评估与检查间隔制定；制定结构的使用维修大纲。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7292022-8-729损伤容限设计的基本概念 n 设计概念：承认初始缺陷,控制缺陷增长,用分析及检查的方法 来保证结构使用的安全可靠。n 设计目标:通过损伤容限设计和裂纹扩展及剩余强度分析,保证 飞机结构在未修使用期内,其剩余结构能够承受使用 载荷,不出现结构的破坏或过分变形,提供足够安全 性所要求的检查水平。n 设计要素:临界裂纹尺寸或剩余强度（结构最大的损伤容限能力）裂纹扩展（把握损伤过程的发展，提供检修依据）损伤检查（依据可检度确定不同部位的检修方法与手段）互相补充3.4.2 损

16、伤容限设计基础 2022-8-7302022-8-730n 设计方法:结构材料的精心选择、使用和控制；选择结构类型,并进行相应的结构布局(止裂、开敞性)设计；合理地制造和工艺过程的质量控制计划；合理控制使用应力水平；制定精细的检验程序(按结构类型、可检度确定检查要求、间 隔同期、检查手段等)。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7312022-8-731n 设计步骤:设计使用载荷谱(据疲劳损伤统计分析理论,简化成能在设计 和试验中使用的计算谱和实验谱。由此计算出构件危险部位的 应力谱和应力强度因子变程譜)；选择关键件(据设计、使用经验、应力分析、可检水平等确定 结构关键件的危险部位,进

17、行裂纹扩展剩余强度分析,有效地实 施断裂控制)；合理选材(兼顾静强度、刚度、断裂韧性、重量、加工性、成本 以及抗腐蚀性能等综合选材)；结构分类（据结构的功能特征、安全性程度及裂纹可检度要求 对结构进行分类,按类型设计成相应的飞行安全结构）；3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7322022-8-732 细节设计（除一般的抗疲劳细节设计外,还应尽可能地提高损伤 可检性）；确定初始缺陷 （对不同的关键部位、不同的结构设计类型，按 规范要求确定初始缺陷尺寸或应用当量方法折算)；损伤容限分析（对危险部位的临界尺寸、剩余强度、扩展速率寿 命进行分析、试验验证、改进设计,直到满足要求）；损伤容限试

18、验 （验证设计结构达到损伤容限规范要求否(构件/全尺寸)；制定使用维护大纲（据分析和试验结果给出不同结构部位的检查 方法，检修周期和允许的最大初始损伤和临界损伤。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7332022-8-733损伤容限设计中主要问题分析 n 合理地选择结构材料 材料强度与韧性的关系 要求综合的材料断裂性能：bICKdNdaLY12LC4、LC92 ，7 材料裂纹不同阶段的扩展速率特性 视不同的结构部位和主要关心的裂纹扩展阶段来选取。材料与载荷/环境谱的关系 不能仅考虑常幅载荷下的特性,还要考虑在谱载荷下行为好的 材料,即考虑迟滞效应,应力比等影响因素，材料裂纹扩展对 环境

19、以及温度的敏感性。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7342022-8-734n 损伤容限结构危险部位的确定原则 v 飞行安全结构必须确定为断裂关键件，或称损伤容限危险构 件；v 考虑破坏的后果和危险程度。结构或局部部位的损伤危及到使 用功能、飞行性能、飞机及人员安全或导致主要系统失效时,应选为危险部位；v 结构形式、受力情况和强度储备条件差的(整体结构、所有单传 力结构、应力水平高、应力集中严重部位、刚度不足、振动较 大的部位)；v 材料的理化、机械、工艺性能差的部位和构件(如疲劳缺口敏感 性强的结构件)；3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7352022-8-735n 损

20、伤容限结构的分类与设计类型 l 结构的设计分类由设计概念(危及飞行安全的程度)和可检度决定。设计概念主要取决于结构的安全性及功能性要求。可检性取决于结构部位的可达性、损伤性质及检查经验等。v 构件所处的环境条件恶劣者(高温、高压、腐蚀、振动等)；v 可检度低、维修更换可能性小、不可检结构应考虑在内；v 强度计算的薄弱环节；v 加工工艺质量难以保证,成本高,生产周期长的构件。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7362022-8-736v 缓慢裂纹扩展结构 （用于损伤特性不利于控制或重要安全结构部位）单传力结构（静定结构：起落架等）；整体结构(没有止裂性能,对功能性及安全威胁较大)；场站

21、或基地可检,使用中不可检结构等（结构油箱）；功能性强的结构部位（气密座舱)；翼梁接头等关键安全部位。座舱盖座舱盖l 损伤容限结构设计类型 缓慢裂纹扩展结构(安全裂纹扩展结构)；破损安全结构：又分安全止裂结构；破损安全多路传力结构。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7372022-8-737v 破损安全结构 （用于对安全性、功能性威胁较小,有止裂特性/多路传力特性,可检性较好的结构）l 基本特征 剩余结构能经受使用载荷；能在设计速度范围内操纵飞机；到下次检查前,不发生灾难事故。设计措施:初始缺陷严格控制 a0，扩展缓慢,安全储备放大；设计方法:改进材料、降低工作应力水平,改善接触环境等。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7382022-8-738l 设计方法破损安全多路传力(两种/以上的传力路线传递载荷)；多重元件传力；有止裂构件、筋条、止裂孔、止裂带等；结构分块。3.4.2 损伤容限设计基础 2022-8-7392022-8-739结构分块 多路传力止裂带、孔3.4 损伤容限设计2022-8-7402022-8-740 小 结损伤容限设计的基本概念基本要素及设计思想的核心损伤容限设计方法结构的两类划分原则及其基本设计方法