1、损伤容限设计方法损伤容限设计方法 王晓军王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所航空科学与工程学院固体力学研究所1 背 景从从6060年代末期起的几年当中。原按疲劳安全寿命设年代末期起的几年当中。原按疲劳安全寿命设计的多种计的多种 空军飞机出现了某些断裂事故，因此，空军飞机出现了某些断裂事故，因此，按安全寿命设计并不能确保飞机的安全，因为它没按安全寿命设计并不能确保飞机的安全，因为它没有考虑到实际结构在使用之前，由于材料、生产制有考虑到实际结构在使用之前，由于材料、生产制造和装配过程中已存在不可避免的漏检的初始缺陷造和装配过程中已存在不可避免的漏检的初始缺陷和损伤；加之当时使用的高强度或超高强度
2、合金的和损伤；加之当时使用的高强度或超高强度合金的断裂韧性降低等原因，这些缺陷、损伤于使用过程断裂韧性降低等原因，这些缺陷、损伤于使用过程中在重复载荷作用下将不断扩展，直至扩展失控造中在重复载荷作用下将不断扩展，直至扩展失控造成结构破坏和灾难性事故。成结构破坏和灾难性事故。因此因此 于于1974-19751974-1975年颁布了第一部损伤容限设计规年颁布了第一部损伤容限设计规范范 2 2 损伤容限设计思想损伤容限设计思想 基本概念基本概念损伤容限损伤容限是指是指结构在规定的未修使用周期内，抵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抗由缺陷、裂纹或其他损伤而导致破
3、坏的能力。简单地说，就是指飞机结构中初始缺陷及其在使简单地说，就是指飞机结构中初始缺陷及其在使用中缺陷发展的允许程度用中缺陷发展的允许程度。因此，损伤容限设计。因此，损伤容限设计概念是概念是承认承认结构在使用前就带有初始缺陷，结构在使用前就带有初始缺陷，但必但必须须通过设计的方法把这些缺陷或损伤在规定的维通过设计的方法把这些缺陷或损伤在规定的维修使用期内的修使用期内的增长控制在一定的范围内增长控制在一定的范围内，在此期，在此期间，结构应间，结构应满足满足规定的规定的剩余强度要求剩余强度要求(含缺陷或含含缺陷或含裂纹结构的承载能力裂纹结构的承载能力)，以保证飞机结构的安全性，以保证飞机结构的安全
4、性和可靠性。和可靠性。因此，损伤容限设计思想因此，损伤容限设计思想研究的对象研究的对象是那些影响是那些影响飞行安全的结构部件在使用寿命期内的飞行安全的结构部件在使用寿命期内的安全裕度安全裕度问题问题。从损伤容限设计的从损伤容限设计的基本内容基本内容上看，就是通过上看，就是通过设计、分析和试验验证设计、分析和试验验证，对可检结构给出对可检结构给出检检修周期修周期，对不可检结构提出严格的，对不可检结构提出严格的剩余强度剩余强度要求和裂纹增长限制要求和裂纹增长限制，以保证结构在给定的，以保证结构在给定的使用寿命期内，不至因未被发现的初始缺陷使用寿命期内，不至因未被发现的初始缺陷扩展失控而造成飞机的灾
5、难性事故扩展失控而造成飞机的灾难性事故。因因此损伤容限设计所追求的此损伤容限设计所追求的目标目标就是通过设就是通过设计、分析、试验与监测维修的计、分析、试验与监测维修的各种手段各种手段，保，保证飞机在使用寿命期内其剩余结构证飞机在使用寿命期内其剩余结构(带损伤结带损伤结构构)仍然能够承受使用载荷的作用，不发生结仍然能够承受使用载荷的作用，不发生结构的构的破坏或过分变形破坏或过分变形，并提供保证安全性所，并提供保证安全性所要求的要求的检查水平检查水平。结构损伤容限设计的基本概念结构损伤容限设计的基本概念 损伤容限损伤容限设计设计、分析分析、试验试验以及以及使用维修使用维修四大方面四大方面的的技术
6、内技术内容容：(1)(1)设计设计 制定设计规范与设计要求；制定设计规范与设计要求；结构分类划分及其设计选择结构分类划分及其设计选择原则；原则；结构材料的选择；结构材料的选择；结构布局、结构细节设计；结构布局、结构细节设计；制造装配中的质量控制设计。制造装配中的质量控制设计。(2)(2)分析分析 危险部位的选择与分析；危险部位的选择与分析；载荷和应力谱的分析；载荷和应力谱的分析；初始损伤品质的评定；初始损伤品质的评定；裂纹扩展分析；裂纹扩展分析；剩余强度分析。剩余强度分析。(3)(3)试验试验 重要结构部件与全机损伤容限试验。重要结构部件与全机损伤容限试验。(4)(4)使用与维修使用与维修 结
7、构损伤的无损检测；结构损伤的无损检测；检查能力评估与检查间隔制定。检查能力评估与检查间隔制定。2.2 2.2 损伤容限设计损伤容限设计与与安全寿命设计方法安全寿命设计方法的区别的区别 总结总结安全寿命设计思想安全寿命设计思想可以看出，可以看出，安全寿命设计概安全寿命设计概念在于认为飞机在使用前结构是完好无损的念在于认为飞机在使用前结构是完好无损的，在使，在使用寿命期内也不应出现可检裂纹。一旦在疲劳关键用寿命期内也不应出现可检裂纹。一旦在疲劳关键部位出现宏观可检裂纹就认为结构已经破坏。部位出现宏观可检裂纹就认为结构已经破坏。这就这就是说安全寿命设计只考虑裂纹形成寿命，不考虑裂是说安全寿命设计只考
8、虑裂纹形成寿命，不考虑裂纹扩展寿命纹扩展寿命，并规定安全寿命的给出必须通过全尺，并规定安全寿命的给出必须通过全尺寸疲劳试验进行验证，寸疲劳试验进行验证，对疲劳破坏固有的分散性及对疲劳破坏固有的分散性及一些不确定的因素用分散系数一些不确定的因素用分散系数来考虑。来考虑。安全寿命设计的安全寿命设计的目标目标是通过对疲劳关键部位进行合是通过对疲劳关键部位进行合理的理的选材选材，开展抗疲劳结构，开展抗疲劳结构细节设计细节设计，适当，适当控制应控制应力水平力水平，改善结构细节的，改善结构细节的抗疲劳品质抗疲劳品质，注意降低几，注意降低几何、材料和载荷不连续造成的何、材料和载荷不连续造成的应力集中应力集中
9、，以及在生，以及在生产过程中贯彻良好的产过程中贯彻良好的质量控制质量控制，使飞机结构在谱载，使飞机结构在谱载荷作用下，保证飞机在荷作用下，保证飞机在安全使用寿命期内疲劳破坏安全使用寿命期内疲劳破坏概率最小概率最小。通过设计、分析和试验所给出的安全寿通过设计、分析和试验所给出的安全寿命应满足订货方提出的设计使用寿命要求命应满足订货方提出的设计使用寿命要求。对比前面所讲的损伤容限设计思想。我们可知这对比前面所讲的损伤容限设计思想。我们可知这两种不同的设计原理两种不同的设计原理在对结构初始缺陷状态的认在对结构初始缺陷状态的认识出发点上就存在着差异识出发点上就存在着差异，这样，在结构设计方，这样，在结
10、构设计方法、分析评估体系以及试验验证的关心焦点等诸法、分析评估体系以及试验验证的关心焦点等诸方面也就存在着差异。方面也就存在着差异。因此，安全寿命设计与损因此，安全寿命设计与损伤容限设计在伤容限设计在概念内容、方法概念内容、方法等方面有着实质的等方面有着实质的不同。但应当说是在不同。但应当说是在不同意义上解决不同意义上解决结构的使用结构的使用寿命设计及飞机安全问题，寿命设计及飞机安全问题，总的目标是一致的总的目标是一致的，而且在结构件抗疲劳细节设计的原理上仍有许多而且在结构件抗疲劳细节设计的原理上仍有许多共同之处。共同之处。损伤尺寸与载荷循环数的关系损伤尺寸与载荷循环数的关系 2.3 2.3
11、损伤容限设计损伤容限设计与与断裂力学断裂力学的关系的关系结构中存在的缺陷、损伤或裂纹实际上都是指结构内部的结构中存在的缺陷、损伤或裂纹实际上都是指结构内部的受损状态，只不过是这些术语所描述的受损几何形态不同受损状态，只不过是这些术语所描述的受损几何形态不同而已。损伤容限设计方法中对这些受损的几何形态都等效而已。损伤容限设计方法中对这些受损的几何形态都等效成成简单几何形态简单几何形态的的裂纹裂纹来处理，这是因为来处理，这是因为断裂力学断裂力学在含裂在含裂体方面的众多研究成果为损伤容限的设计分析方法提供了体方面的众多研究成果为损伤容限的设计分析方法提供了强有力的理论基础。强有力的理论基础。损伤容限
12、设计关心的问题损伤容限设计关心的问题包括：包括：（1 1）剩余强度与裂纹尺寸的关系如何）剩余强度与裂纹尺寸的关系如何?（2 2）在预期的工作载荷下，能够容许多大的裂纹）在预期的工作载荷下，能够容许多大的裂纹?即临界裂纹尺寸是多少即临界裂纹尺寸是多少?（3 3）裂纹从一定长度的初始尺寸，扩展到临界尺寸需要多长时间？）裂纹从一定长度的初始尺寸，扩展到临界尺寸需要多长时间？（4 4）在结构工作寿命开始时，允许存在多大的初始缺陷）在结构工作寿命开始时，允许存在多大的初始缺陷?（5 5）每隔多长时间，应该对结构进行一次裂纹检查）每隔多长时间，应该对结构进行一次裂纹检查(即裂纹检查周期的确定即裂纹检查周期
13、的确定)?)?可以说，损伤容限设计的分析评估体系完全有赖于可以说，损伤容限设计的分析评估体系完全有赖于断裂力断裂力学学的研究与发展。的研究与发展。3 3 飞机损伤容限设计的内容和方法飞机损伤容限设计的内容和方法 3.1 3.1 损伤容限设计的要点损伤容限设计的要点 损伤容限设计时应注意以下几点：损伤容限设计时应注意以下几点：1 1尽量将结构设计成尽量将结构设计成破损安全结构破损安全结构，例如采用多传力途径，例如采用多传力途径的结构布局，静不定结构型式及组合承力结构等，并且使的结构布局，静不定结构型式及组合承力结构等，并且使结构具有结构具有缓慢裂纹扩展特性缓慢裂纹扩展特性。2 2保证结构破损安全
14、的关键是保证结构破损安全的关键是定期地对结构进行检查或考定期地对结构进行检查或考验性试验验性试验。因此对于易产生裂纹的重要构件，要尽量设计。因此对于易产生裂纹的重要构件，要尽量设计成可检结构。有开敞的检查道路，以便日常维护检查、修成可检结构。有开敞的检查道路，以便日常维护检查、修理和更换。理和更换。3 3正确合理的确定检查周期是保证结构破损安全的关键正确合理的确定检查周期是保证结构破损安全的关键。要确定检查周期必须确定要确定检查周期必须确定最小可检裂纹尺寸最小可检裂纹尺寸和破损安全载和破损安全载荷下荷下临界裂纹尺寸临界裂纹尺寸。这就要求比较准确地计算对应于每一。这就要求比较准确地计算对应于每一
15、个裂纹的剩余强度和裂纹扩展速率。从而使裂纹扩展寿命个裂纹的剩余强度和裂纹扩展速率。从而使裂纹扩展寿命计算更符合实际情况。计算更符合实际情况。4采用采用断裂韧度高、抗裂纹扩展性能好的材料断裂韧度高、抗裂纹扩展性能好的材料，以保证结构，以保证结构具有较高的剩余强度和缓慢裂纹扩展特性具有较高的剩余强度和缓慢裂纹扩展特性,如下图所示。当如下图所示。当材料的材料的断裂韧度提高，而使临界裂纹尺寸由提高断裂韧度提高，而使临界裂纹尺寸由提高ac到到2ac，能用于检查的总间隔由能用于检查的总间隔由BC增加到增加到BD。同样。同样缓慢裂纹扩展速缓慢裂纹扩展速率降低，不但可增加不可检查裂纹以前裂纹扩展寿命，并且率降
16、低，不但可增加不可检查裂纹以前裂纹扩展寿命，并且用于检查周期的裂纹扩展寿命增加用于检查周期的裂纹扩展寿命增加(如下图如下图)。由于断裂韧度提高使检查间隔增加由于断裂韧度提高使检查间隔增加由于裂纹扩展速率降低使检查间隔增加由于裂纹扩展速率降低使检查间隔增加加之当时使用的高强度或超高强度合金的断裂韧性降低等原因，这些缺陷、损伤于使用过程中在重复载荷作用下将不断扩展，直至扩展失控造成结构破坏和灾难性事故。结构中存在的缺陷、损伤或裂纹实际上都是指结构内部的受损状态，只不过是这些术语所描述的受损几何形态不同而已。2)载荷谱和应力谱确定5最小可检裂纹尺寸的确定取决于所选用的检测手段和监测人员技术水平。结构
17、中存在的缺陷、损伤或裂纹实际上都是指结构内部的受损状态，只不过是这些术语所描述的受损几何形态不同而已。该谱一般以一定的时间作为循环周期，在一个循环周期内，各次飞行之间的载荷时间历程有差别，但其总和代表飞机所有典型使用任务。当材料的断裂韧度提高，而使临界裂纹尺寸由提高ac到2ac，能用于检查的总间隔由BC增加到BD。损伤容限设计规范并不要求全部飞机结构满足损伤容限设计要求，仅仅对飞行安全结构而言。损伤容限设计规范并不要求全部飞机结构满足损伤容限设计要求，仅仅对飞行安全结构而言。制造装配中的质量控制设计。有的设计部门还规定飞机受力结构中钢结构必须进行损伤容限设计，如不按损伤容限设计的钢结构必须通过
18、总设计师批准。结构剩余强度在使用过程中随裂纹增长而递减，要求在整个使用寿命期间给出最低限度的剩余强度随时间变化曲线，即大于最小剩余强度要求的最低值。该方法能够较好地反映载荷谱的随机性。初始损伤品质的评定；3)初步确定损伤容限设计结构类型基本机动飞行谱是以许多最基本的机动飞行为基础的飞-续-飞谱。因此，损伤容限设计概念是承认结构在使用前就带有初始缺陷，但必须通过设计的方法把这些缺陷或损伤在规定的维修使用期内的增长控制在一定的范围内，在此期间，结构应满足规定的剩余强度要求(含缺陷或含裂纹结构的承载能力)，以保证飞机结构的安全性和可靠性。1)确定飞行安全结构和断裂关键结构5 5最小可检裂纹尺寸的确定
19、取决于所选用的检测手段和监测最小可检裂纹尺寸的确定取决于所选用的检测手段和监测人员技术水平人员技术水平。提高检测灵敏度对提高结构的安全性起非常。提高检测灵敏度对提高结构的安全性起非常重要的作用。从重要的作用。从增加检查周期上看，它甚至比提高材料的断增加检查周期上看，它甚至比提高材料的断裂韧度更明显裂韧度更明显。由于小裂纹阶段裂纹扩展率很低，当最小可。由于小裂纹阶段裂纹扩展率很低，当最小可检裂纹尺寸由降到时，可用于检查的时间间隔几乎增加一倍。检裂纹尺寸由降到时，可用于检查的时间间隔几乎增加一倍。6 6对于那些较长、较大的零件应考虑对于那些较长、较大的零件应考虑止裂措施止裂措施，如采用止裂，如采用
20、止裂孔、止裂带和结构分段等，以防止裂纹快速扩展。孔、止裂带和结构分段等，以防止裂纹快速扩展。7 7合理的控制结构的设计应力水平合理的控制结构的设计应力水平。应当综合强度、刚度、。应当综合强度、刚度、损伤容限、耐久性和可靠性几方面的要求，减轻结构重量情损伤容限、耐久性和可靠性几方面的要求，减轻结构重量情况下合理确定应力水平和设计指标。况下合理确定应力水平和设计指标。损伤容限设计是一项十分复杂而又重要的工作，需要损伤容限设计是一项十分复杂而又重要的工作，需要一系列的分析、计算和试验。一系列的分析、计算和试验。特别对于采用高强度材料特别对于采用高强度材料的承力结构，承受多次重复载荷的构件，尤其是有较
21、大的承力结构，承受多次重复载荷的构件，尤其是有较大应力集中部位，反复受高温作用或受到剧烈振动及气流应力集中部位，反复受高温作用或受到剧烈振动及气流扰动部位；以及环境条件恶劣、抗应力腐蚀较差的部位。扰动部位；以及环境条件恶劣、抗应力腐蚀较差的部位。要认真、细致地执行损伤容限设计要求，采用一些抗断要认真、细致地执行损伤容限设计要求，采用一些抗断裂的工艺措施。对重要的危险部位必须在加工和使用中裂的工艺措施。对重要的危险部位必须在加工和使用中提出特殊的工艺及检查要求。同时有相应措施以保证危提出特殊的工艺及检查要求。同时有相应措施以保证危险构件的可跟踪性。险构件的可跟踪性。2.2 2.2 损伤容限设计步
22、骤损伤容限设计步骤 损伤容限设计目的是保证飞机的安全性，为此损伤容限设计工作损伤容限设计目的是保证飞机的安全性，为此损伤容限设计工作必须从飞机总体设计阶段开始必须从飞机总体设计阶段开始。损伤容限设计步骤如下：损伤容限设计步骤如下：(1)(1)确定设计使用载荷谱确定设计使用载荷谱 (2)(2)确定飞机安全结构和断裂关键结构确定飞机安全结构和断裂关键结构(3)(3)合理选择材料合理选择材料 兼顾静强度、刚度和疲劳设计要求，选择抗断裂性能好的材料。兼顾静强度、刚度和疲劳设计要求，选择抗断裂性能好的材料。对选定的结构材料，如材料手册中缺乏材料的断裂韧度和裂纹扩对选定的结构材料，如材料手册中缺乏材料的断
23、裂韧度和裂纹扩展计算所需的材料常数时展计算所需的材料常数时,则需通过材料实验确定上述材料常数。则需通过材料实验确定上述材料常数。(4)(4)进行结构分类进行结构分类 根据破损安全结构各类型的特点、局部应力场分析、结构的可检根据破损安全结构各类型的特点、局部应力场分析、结构的可检查性和规范规定的查性和规范规定的6 6种可检查度，以及设计使用经验，种可检查度，以及设计使用经验，初步确定结初步确定结构类型和检查级别构类型和检查级别。在损伤容限设计过程中不断修改，使其达到。在损伤容限设计过程中不断修改，使其达到损伤容限设计要求。损伤容限设计要求。(5)(5)进行结构细节设计进行结构细节设计 (6)(6
24、)确定初始缺陷尺寸确定初始缺陷尺寸(7)(7)对关键部位进行对关键部位进行裂纹扩展和剩余强度分析裂纹扩展和剩余强度分析，确定临界裂纹长度、，确定临界裂纹长度、剩余强度水平和裂纹扩展寿命。修改结构设计直到满足设计要求。剩余强度水平和裂纹扩展寿命。修改结构设计直到满足设计要求。(8)(8)进行结构进行结构损伤容限实验损伤容限实验 (9)(9)制定制定维修计划维修计划，并给出使用维修大纲，并给出使用维修大纲 针对飞机达到使用寿命前需要修理的全部部位，根据分析与试验结针对飞机达到使用寿命前需要修理的全部部位，根据分析与试验结果给出的果给出的检查方法检查方法、检修周期检修周期和和允许的最大初始损伤尺寸允
25、许的最大初始损伤尺寸等，制等，制定维修计划并给出使用维修大纲。定维修计划并给出使用维修大纲。(10)(10)使用期间进行使用期间进行跟踪跟踪。同一批生产飞机由于使用过程不同，实际的损伤度并不相同。同一批生产飞机由于使用过程不同，实际的损伤度并不相同。为此需要测出并记录实际的载荷谱，以便和设计载荷谱相比较。为此需要测出并记录实际的载荷谱，以便和设计载荷谱相比较。通过数据处理，定出实际损伤度和实际可用寿命。根据实际寿命通过数据处理，定出实际损伤度和实际可用寿命。根据实际寿命的差别调整飞机的检修周期和部件的更换计划，直到经济上不值的差别调整飞机的检修周期和部件的更换计划，直到经济上不值得再修理为止。
26、这种用经济价值来决定的飞机寿命称得再修理为止。这种用经济价值来决定的飞机寿命称经济寿命经济寿命。故故跟踪也是损伤容限设计中的一个重要环节跟踪也是损伤容限设计中的一个重要环节。2.3 2.3 损伤容限设计内容损伤容限设计内容 损伤容限设计损伤容限设计步骤步骤中所涉及工作均属于损伤容限设中所涉及工作均属于损伤容限设计计内容内容，本节仅重点介绍损伤容限设计中部分内容，本节仅重点介绍损伤容限设计中部分内容，读者可参考相应手册。读者可参考相应手册。1)1)确定飞行安全结构和断裂关键结构确定飞行安全结构和断裂关键结构 飞机结构损伤容限设计规范要求飞行安全结构必飞机结构损伤容限设计规范要求飞行安全结构必须进
27、行损伤容限设计，满足损伤容限设计规范要求。须进行损伤容限设计，满足损伤容限设计规范要求。损伤容限设计规范并不要求全部飞机结构损伤容限设计规范并不要求全部飞机结构满足损伤满足损伤容限设计要求，仅仅对飞行安全结构而言。因此容限设计要求，仅仅对飞行安全结构而言。因此在在飞机结构设计时首先要确定飞行安全结构飞机结构设计时首先要确定飞行安全结构。有的设。有的设计部门还规定飞机受力结构中钢结构必须进行损伤计部门还规定飞机受力结构中钢结构必须进行损伤容限设计，如不按损伤容限设计的钢结构必须通过容限设计，如不按损伤容限设计的钢结构必须通过总设计师批准。总设计师批准。飞行安全结构确定后，根据结构型飞行安全结构确
28、定后，根据结构型式、应力分析、制造工艺和材料特性确定断裂关键式、应力分析、制造工艺和材料特性确定断裂关键结构和危险部位。结构和危险部位。2)2)载荷谱和应力谱确定载荷谱和应力谱确定 载荷谱的确定是损伤容限设计的关键，直接关系到结构的安全可载荷谱的确定是损伤容限设计的关键，直接关系到结构的安全可靠性。靠性。载荷谱的确定工作可以和疲劳设计以及耐久性设计工作中载荷谱的确定工作可以和疲劳设计以及耐久性设计工作中载荷谱确定工作相结合。载荷谱编制一般是应用疲劳累积损伤统载荷谱确定工作相结合。载荷谱编制一般是应用疲劳累积损伤统计理论，将实际飞机使用中作用于飞机上的复杂的谱载荷，按一计理论，将实际飞机使用中作
29、用于飞机上的复杂的谱载荷，按一定程序编制成设计和实验中应用的疲劳载荷谱。损伤容限设计中定程序编制成设计和实验中应用的疲劳载荷谱。损伤容限设计中所采用的载荷谱应注意下列问题：所采用的载荷谱应注意下列问题：(1)(1)高低载荷的排列顺序问题高低载荷的排列顺序问题 在飞机所经历的载荷时间历程中，在飞机所经历的载荷时间历程中，高低载荷排列顺序对裂纹扩展高低载荷排列顺序对裂纹扩展速率影响较大速率影响较大。在。在损伤容限设计中一般要求使用反映载荷顺序的损伤容限设计中一般要求使用反映载荷顺序的飞飞-续续-飞谱飞谱。飞。飞-续续-飞载荷环境谱中包含飞机所经历的飞载荷环境谱中包含飞机所经历的重复载荷重复载荷和环
30、境和环境。如。如机动载荷、阵风载荷、地面载荷、内部增压和冲击振机动载荷、阵风载荷、地面载荷、内部增压和冲击振动动等其它载荷。环境条件主要考虑温度、湿度和腐蚀环境。飞等其它载荷。环境条件主要考虑温度、湿度和腐蚀环境。飞-续续-飞谱是以一次飞行接一次飞行地排列飞机所经历的载荷飞谱是以一次飞行接一次飞行地排列飞机所经历的载荷-时间历程，时间历程，每次飞行代表飞机一种特定的典型使用任务。该谱一般以一定的每次飞行代表飞机一种特定的典型使用任务。该谱一般以一定的时间作为循环周期，在一个循环周期内，各次飞行之间的载荷时时间作为循环周期，在一个循环周期内，各次飞行之间的载荷时间历程有差别，但其总和代表飞机所有
31、典型使用任务。间历程有差别，但其总和代表飞机所有典型使用任务。由于飞机在每次飞行中所经历的载荷及其顺序的随机性很大，目由于飞机在每次飞行中所经历的载荷及其顺序的随机性很大，目前排列每次飞行中载荷顺序的方法有两种。一种是在每次飞行中，前排列每次飞行中载荷顺序的方法有两种。一种是在每次飞行中，首先首先按实际情况排列一些可预计的载荷因素、顺序或条件按实际情况排列一些可预计的载荷因素、顺序或条件，然后，然后用随机抽样的办法排列那些不可预测的载荷因素、顺序或条件。用随机抽样的办法排列那些不可预测的载荷因素、顺序或条件。该方法能够较好地反映载荷谱的随机性。另一种方法是在每次飞该方法能够较好地反映载荷谱的随
32、机性。另一种方法是在每次飞行中按行中按低低-高高-低的顺序排列低的顺序排列所有的载荷循环，此方法目前应用较少。所有的载荷循环，此方法目前应用较少。飞飞-续续-飞谱可分为三种：典型任务剖面谱，任务段飞谱可分为三种：典型任务剖面谱，任务段-任务段谱和基本机动飞行任务段谱和基本机动飞行谱谱。典型任务剖面谱是以典型任务剖面为基础，每次飞行代表一个典型任务。典型任务剖面谱是以典型任务剖面为基础，每次飞行代表一个典型任务剖面，每个任务剖面内载荷循环随机排列。任务段剖面，每个任务剖面内载荷循环随机排列。任务段-任务段谱是强调每次飞任务段谱是强调每次飞行中很明显的任务段顺序，即起飞、爬升、各种机动、下降、着陆
33、等。以任行中很明显的任务段顺序，即起飞、爬升、各种机动、下降、着陆等。以任务段为基础，首先按照可以预测的任务段顺序排列，然后，随机地从各任务务段为基础，首先按照可以预测的任务段顺序排列，然后，随机地从各任务段对应的载荷谱统计资料中提取和排列可能经受的各种载荷循环。基本机动段对应的载荷谱统计资料中提取和排列可能经受的各种载荷循环。基本机动飞行谱是以许多最基本的机动飞行为基础的飞飞行谱是以许多最基本的机动飞行为基础的飞-续续-飞谱。这种谱能够充分反飞谱。这种谱能够充分反映在每个基本机动飞行中，结构各个疲劳关键部位在不同时间点上经历的最映在每个基本机动飞行中，结构各个疲劳关键部位在不同时间点上经历的
34、最大和最小载荷循环，适用于高机动过载为主的战斗机。大和最小载荷循环，适用于高机动过载为主的战斗机。(2)(2)高载的截取问题高载的截取问题 高载荷是造成构件破坏的主要原因，高载循环也是造成疲劳损伤的重要组高载荷是造成构件破坏的主要原因，高载循环也是造成疲劳损伤的重要组成部分，如何防止超载引起的破坏，如何处理载荷谱中最高级（或称截取级）成部分，如何防止超载引起的破坏，如何处理载荷谱中最高级（或称截取级）载荷的峰值与最低级载荷谷值的获取，多半与超载引起的迟滞和负载抵消迟载荷的峰值与最低级载荷谷值的获取，多半与超载引起的迟滞和负载抵消迟滞或加速扩展的现象相关联，他们对裂纹扩展的准确预计是至关重要的。
35、滞或加速扩展的现象相关联，他们对裂纹扩展的准确预计是至关重要的。过过高的截取级，使裂纹扩展延缓而延长使用寿命，这种有利影响的过高估计会高的截取级，使裂纹扩展延缓而延长使用寿命，这种有利影响的过高估计会造成安全性问题；但过低的估计则会造成保守的设计或采用昂贵的维修计划造成安全性问题；但过低的估计则会造成保守的设计或采用昂贵的维修计划。(3)(3)低载截除问题低载截除问题 低应力幅对裂纹扩展的贡献很小，尤其是在迟滞效应作用下显得低应力幅对裂纹扩展的贡献很小，尤其是在迟滞效应作用下显得更突出，为了加快裂纹扩展实验和模拟计算的速度，以节省经费更突出，为了加快裂纹扩展实验和模拟计算的速度，以节省经费和周
36、期，降低于某一应力幅值的载荷截除（即截除级）称低载截和周期，降低于某一应力幅值的载荷截除（即截除级）称低载截除。除。一般地说，在短裂纹阶段，疲劳极限可作为截除的极限应力，一般地说，在短裂纹阶段，疲劳极限可作为截除的极限应力，但长裂纹阶段，裂纹扩展的门槛值以下裂纹不扩展，而低于疲劳但长裂纹阶段，裂纹扩展的门槛值以下裂纹不扩展，而低于疲劳极限应力仍可能造成裂纹扩展。在运输机中应力比极限应力仍可能造成裂纹扩展。在运输机中应力比R R较大的小循较大的小循环在疲劳裂纹扩展中将引起较大的损伤。因此低载截除不能简单环在疲劳裂纹扩展中将引起较大的损伤。因此低载截除不能简单的从应力上规定，而是采用等损伤办法将循
37、环数减少，即截除低的从应力上规定，而是采用等损伤办法将循环数减少，即截除低应力幅，将次低应力幅的循环数增加。应力幅，将次低应力幅的循环数增加。飞机的载荷谱一般都以飞机重心处载荷谱给出，针对损伤容限设飞机的载荷谱一般都以飞机重心处载荷谱给出，针对损伤容限设计部位，需确定应力谱，计部位，需确定应力谱，应力谱应力谱可通过重心谱转换得到。可通过重心谱转换得到。3)3)初步确定损伤容限设计结构类型初步确定损伤容限设计结构类型 对于对于飞行安全结构飞行安全结构，规范中定义了，规范中定义了6 6种可检查度：种可检查度：(1)(1)飞行明显可检飞行明显可检 飞行中结构出现损伤的性质和程度使空勤人员飞行中结构出
38、现损伤的性质和程度使空勤人员立即无误的意识到结构已经产生重要的损伤，并应终止飞行任务。立即无误的意识到结构已经产生重要的损伤，并应终止飞行任务。(2)(2)地面明显可检地面明显可检 结构损伤的性质和程度使地勤人员不需对结构结构损伤的性质和程度使地勤人员不需对结构进行专门检查即可迅速无误的查出。进行专门检查即可迅速无误的查出。(3)(3)巡回目视可检巡回目视可检 结构损伤的性质和程度使检查人员不必开启舱结构损伤的性质和程度使检查人员不必开启舱盖和使用特殊工具，从地面对结构表面进行目视检查即可查出。盖和使用特殊工具，从地面对结构表面进行目视检查即可查出。(4)(4)特殊目视可检特殊目视可检 结构损
39、伤的性质和程度使检查人员必须拆下舱结构损伤的性质和程度使检查人员必须拆下舱盖等，使用助视工具对结构进行详细目视检测才可查出。盖等，使用助视工具对结构进行详细目视检测才可查出。(5)(5)场站或基地级可检场站或基地级可检 结构损伤的性质和程度要求监测人员采用结构损伤的性质和程度要求监测人员采用一种或多种选定的无损检测技术对结构进行检查，并允许卸下一种或多种选定的无损检测技术对结构进行检查，并允许卸下设备和可拆卸部位。设备和可拆卸部位。(6)(6)使用中不可检使用中不可检 受结构损伤尺寸或可达性限制，检查人员无法受结构损伤尺寸或可达性限制，检查人员无法用上述方法查处结构中的损伤。用上述方法查处结构
40、中的损伤。设计初期选择结构类别后，如损伤容限评定不能满足设计要设计初期选择结构类别后，如损伤容限评定不能满足设计要求，可更改结构类型达到最佳结构。求，可更改结构类型达到最佳结构。4 4 结构剩余强度分析结构剩余强度分析 含裂纹结构在使用期中任一时刻所能达到的含裂纹结构在使用期中任一时刻所能达到的静强度值静强度值称称为结构的为结构的剩余强度剩余强度。结构剩余强度在使用过程中随裂纹结构剩余强度在使用过程中随裂纹增长而递减增长而递减，要求在，要求在整个使用寿命期间给出最低限度的剩余强度随时间变化整个使用寿命期间给出最低限度的剩余强度随时间变化曲线，即曲线，即大于最小剩余强度要求的最低值大于最小剩余强
41、度要求的最低值。结构剩余强结构剩余强度最低要求值是结构类型和可检查度的函数度最低要求值是结构类型和可检查度的函数。因此因此各种可检查度的破损安全结构类型其剩余强度最低各种可检查度的破损安全结构类型其剩余强度最低要求值不同要求值不同，可以根据特定飞机任务分析所得到的载荷，可以根据特定飞机任务分析所得到的载荷谱数据来确定。谱数据来确定。损伤容限是指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。安全寿命设计的目标是通过对疲劳关键部位进行合理的选材，开展抗疲劳结构细节设计，适当控制应力水平，改善结构细节的抗疲劳品质，注意降低几何、材料和载荷不连续造成的应力集中，以及在生产过程
42、中贯彻良好的质量控制，使飞机结构在谱载荷作用下，保证飞机在安全使用寿命期内疲劳破坏概率最小。如机动载荷、阵风载荷、地面载荷、内部增压和冲击振动等其它载荷。典型任务剖面谱是以典型任务剖面为基础，每次飞行代表一个典型任务剖面，每个任务剖面内载荷循环随机排列。环境条件主要考虑温度、湿度和腐蚀环境。7合理的控制结构的设计应力水平。过高的截取级，使裂纹扩展延缓而延长使用寿命，这种有利影响的过高估计会造成安全性问题；同时有相应措施以保证危险构件的可跟踪性。飞机的载荷谱一般都以飞机重心处载荷谱给出，针对损伤容限设计部位，需确定应力谱，应力谱可通过重心谱转换得到。提高检测灵敏度对提高结构的安全性起非常重要的作用。2)载荷谱和应力谱确定该方法能够较好地反映载荷谱的随机性。损伤容限设计关心的问题包括：因此 于1974-1975年颁布了第一部损伤容限设计规范以及环境条件恶劣、抗应力腐蚀较差的部位。4.1 断裂判据
