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什么是飞机结构抗腐蚀疲劳设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-09-04 12:02:15   浏览次数:153
核心提示:2019年09月04日关于什么是飞机结构抗腐蚀疲劳设计的最新消息:20世纪70年代以来,随着腐蚀环境对飞机结构使用寿命的影响越来越严重,飞机结构腐蚀疲劳问题到了不得不解决的地步。这样,美国自20世纪70年代中期以后的军用规范和标准以及我国自80年


20世纪70年代以来,随着腐蚀环境对飞机结构使用寿命的影响越来越严重,飞机结构腐蚀疲劳问题到了不得不解决的地步。这样,美国自20世纪70年代中期以后的军用规范和标准以及我国自80年代末期以后的国军标,都明确规定了飞机结构抗腐蚀疲劳设计要求,但从目前国内外飞机结构的设计实践来看,并没有完全按照这些设计要求去进行飞机结构抗腐蚀疲劳设计和验证。换句话说,人们并不完全清楚设计实践应该如何去满足这些设计要求,这就使得设计实践落后于设计要求的规定,这种设计要求和设计实践的不一致性在国内的飞机结构设计中显得尤为突出。

之所以会出现设计要求和设计实践的不一致性,一个重要原因是至今还未形成一套完整而成熟的飞机结构抗腐蚀疲劳设计方法。本篇在阐述飞机结构抗腐蚀疲劳设计基本原则的基础上,引出飞机结构抗腐蚀疲劳基本方法框架,以此作为飞机结构抗腐蚀疲劳设计的基础。

一、飞机结构抗腐蚀疲劳设计内涵

飞机结构抗腐蚀疲劳设计,是一种基于腐蚀疲劳失效模式的结构设计思想和设计理念,但它不是单一的结构设计原理和结构设计准则,而是由至少一种与飞机使用寿命有关的结构设计准则所组成的结构设计思想。飞机结构抗腐蚀疲劳设计思想的核心可以是安全寿命设计准则,也可以是耐久性设计准则,还可以是损伤容限设计准则,或者是这其中任意两种甚至三种的组合,即安全寿命准则加损伤容限准则或耐久性准则加损伤容限准则,甚至是安全寿命准则、耐久性准则加损伤容限设计准则,这要根据飞机结构不同部件和关键件选择何种设计准则而定。

由上述分析可以看出,这里所说的飞机结构抗腐蚀疲劳设计中的“疲劳设计”已不是传统的疲劳强度设计概念,它至少具有以下三个含义。

(1)飞机结构抗腐蚀疲劳设计的思想基础是腐蚀疲劳失效模式,其设计要求是使所设计的飞机结构能够经受住腐蚀疲劳损伤。

(2)飞机结构抗腐蚀疲劳设计的设计目标是在飞机使用寿命期内发生飞机结构腐蚀疲劳破坏的概率减至最少。

(3)飞机结构抗腐蚀疲劳设计的设计准则可以是安全寿命设计准则、耐久性设计准则和损伤容限设计准则中的一种、两种甚至三种。

表1安全寿命设计、耐久性设计和损伤容限设计的比较

正因为飞机结构抗腐蚀疲劳设计的设计准则是安全寿命准则、耐久性准则和损伤容限准则,因此,在下面所要叙述的飞机结构抗腐蚀疲劳设计方法中所提到腐蚀疲劳分析和腐蚀疲劳试验中的“疲劳”只是一个代名词。它可以是疲劳分析、耐久性分析和损伤容限分析,也可以是疲劳试验、耐久性试验和损伤容限试验,但所有这些分析和大部分试验(全尺寸机体结构实验室疲劳/耐久性/损伤容限试验除外)都是在腐蚀环境下进行的。同样,按飞机结构抗腐疲劳设计所给出的使用寿命可以是飞机设计使用寿命所规定的任何一种寿命(飞行小时、飞行次数、日历寿命等),但所有这些寿命都是在载荷/环境谱条件下给出的。

二、飞机结构抗腐蚀疲劳设计基本原则

在当前飞机结构设计实践和抗腐蚀疲劳设计要求存在不一致性的情况下,特提出现阶段我国飞机结构抗腐蚀疲劳设计的如下5项基本原则。

(1)以常规疲劳为主的原则;

(2)腐蚀环境宜粗不宜细的原则;

(3)典型结构件代替全尺寸机体结构试验的原则;

(4)分析和试验相结合以分析为主的原则;

(5)突出腐蚀防护的原则。

为便于理解和记忆,现以顺口溜的形式给出这些基本原则:“常规疲劳作主演,腐蚀疲劳配角戏;重复载荷要准确,环境宜粗不宜细;典型构件代机体,局部试验和分析;腐蚀防护最重要,防微杜渐勤修理。”

1)以常规疲劳为主的原则

这里说的常规疲劳是指不考虑腐蚀环境的疲劳,也就是通常所说的空气中的疲劳。从学科领域划分来看,腐蚀疲劳既是一种腐蚀,又是一种疲劳。从飞机结构设计角度来说,力学作用比腐蚀作用更重要,因此,应首先把腐蚀疲劳看成是一种疲劳,从力学上考虑问题,然后再辅之于考虑腐蚀介质影响问题。于是在飞机结构设计中处理常规疲劳和腐蚀疲劳问题这一对矛盾时,应把常规疲劳作为矛盾的主要方面,首先解决常规疲劳问题,在此基础上再考虑腐蚀环境影响的修正。常规疲劳设计已有成熟的设计方法和丰富的经验,按这个思路处理问题既省时省钱,又能解决工程实际问题。

2)腐蚀环境宜粗不宜细的原则

飞机在实际使用中遭受的腐蚀环境多达十几种以上,从环境性质来看,它们可分为化学环境和气候环境,从环境来源看,它们可分为外部自然环境和内部工作环境,而且这些环境参数往往是多元随机变量,不可能也没有必要把它们完全精确地描述出来,因此,描述这些环境宜粗不宜细。这里包括两层意思:第一,对特定飞机可考虑并确定飞机可能经受的少数几种主要环境,而把一些次要的环境因素忽略掉;第二,在编制环境谱时要采取各种简化手段,使其能大致反映飞机真实使用环境即可。

3)典型构件代替全尺寸机体结构试验的原则

在目前条件下,无论从技术水平、试验手段或从经费上,对飞机整机或全尺寸部件进行腐蚀疲劳试验是不现实的。一个可行的解决办法是选择一些既受严重疲劳载荷又受严重腐蚀环境影响的飞机结构关键部位,进行典型构件的腐蚀疲劳试验和分析,以用于对实验室全尺寸飞机机体或部件疲劳试验结果进行修正,这就是用典型构件代替全尺寸机体结构的含义。

4)分析和试验相结合以分析为主的原则

在飞机结构常规的抗疲劳设计时,也是采取分析和试验结合的原则,但在那种结合中最后“说了算”的不是分析而是试验结果,而且主要是全尺寸飞机机体结构疲劳试验结果。在飞机抗腐蚀疲劳设计时也要坚持分析和试验相结合的原则,与此同时还应加上以上分析为主的原则。第一,已经有实验室全尺寸机体结构疲劳试验作为主要依据,典型构件的腐蚀疲劳试验和分析主要用于对其进行修正;第二,材料或标准试件腐蚀疲劳试验用于对典型构件腐蚀分析提供材料性能数据,典型构件腐蚀疲劳试验用于验证腐蚀疲劳分析结果,这两种试验都是围绕分析进行的;第三,腐蚀疲劳试验的分散性比常规疲劳试验的分散性更大,难以用它直接作为修正的主要依据。

5)突出腐蚀防护的原则

飞机结构抗腐疲劳设计要把腐蚀防护作为重点,要把它放在优先的位置来考虑,这是因为设计目的是为了使所设计的所有飞机结构能够在规定的使用期(使用寿命或检修期)内不致因腐蚀或其他损伤而导致关键部位开裂,从而降低功能和危及安全。为达此目的,主要应通过腐蚀防护来实现。突出腐蚀防护包括以下内容。

(1)除采取传统的腐蚀防护措施外(防止“纯”腐蚀),还要从腐蚀疲劳和使用寿命角度采取腐蚀防护措施。

(2)不仅要在设计阶段采取腐蚀防护措施,而且在制造和使用过程中也要采取腐蚀防护措施。

(3)所采取的一些主要腐蚀防护措施要通过分析和试验来验证其有效性。

三、飞机结构抗腐蚀疲劳设计基本方法框架

为了使所设计的飞机尽可能满足飞机结构抗腐蚀疲劳设计要求,根据上述的设计基本原则,提出目前阶段飞机结构抗腐蚀疲劳设计基本方法框架,如图1所示。从图1可知,飞机结构抗腐蚀疲劳设计有许多环节,但首先应抓住这样四个基本环节:载荷/环境谱编制、典型构件腐蚀疲劳分析、腐蚀疲劳试验和腐蚀防护。这几个环节既相对独立又相互依赖,下面分别简述之。

图1飞机结构抗腐蚀疲劳设计基本方法框架

1)编制飞机载荷/环境谱

载荷/环境谱既是典型构件腐蚀疲劳分析和试验的直接依据,又可为腐蚀防护提供设计资料,因此,编制载荷/环境谱是飞机结构抗腐蚀疲劳设计的首要环节。它包括编制飞机载荷谱、使用环境谱、当量环境谱和试验载荷—环境谱。

2)典型构件腐蚀疲劳分析

这里所说的典型构件腐蚀疲劳分析主要是指谱载下典型构件腐蚀疲劳裂纹形成分析和裂纹扩展分析。典型构件腐蚀疲劳分析方法,主要是在常规疲劳分析法基础上加以腐蚀环境下的修正,谱载下典型构件腐蚀疲劳裂纹形成分析方法可分为名义应力法和局部应变法,腐蚀疲劳裂纹扩展分析方法是目前主要的确定性断裂力学分析方法。

3)腐蚀疲劳试验

现阶段用于飞机结构设计中的腐蚀疲劳试验从试件来分,可分为标准试件和典型构件的腐蚀疲劳试验;从受载类型可分为常幅和谱载下的腐蚀疲劳试验;从破坏类型可分为腐蚀疲劳裂纹形成和裂纹扩展试验。这些腐蚀疲劳试验主要是为腐蚀疲劳分析服务的。

标准试件腐蚀疲劳试验主要用于研究不同材料在腐蚀环境中的疲劳/断裂特性,研究各种力学因素,如应力比、加载波形、加载频率等的影响,为飞机合理选材提供依据,为典型构件腐蚀疲劳分析提供数据。飞机典型构件腐蚀疲劳试验主要用于验证典型构件腐蚀疲劳分析结果,并且根据综合分析结果来修正全尺寸飞机机体结构实验室条件下的疲劳试验结果。

4)腐蚀防护

腐蚀防护是指为保护飞机材料和结构免受腐蚀/腐蚀疲劳损伤而采取的腐蚀控制措施。这里的腐蚀防护已经超出了传统的腐蚀防护概念,即不仅要从“纯”腐蚀角度进行腐蚀防护,而且要从腐蚀疲劳、从使用寿命角度进行腐蚀防护。因此,它应贯穿飞机结构设计、研制、定型、生产和使用的全寿命周期中,具体包括设计阶段、制造过程和使用过程的腐蚀控制。

设计阶段应根据飞机结构腐蚀疲劳设计准则、飞机预计的使用方法和腐蚀环境采取腐蚀控制措施,这些措施主要包括:合理地选择耐腐蚀材料,选择合适的防护涂(镀)层,选择合适的电化学保护,选择合适的结构连接形式和合理的表面形状,避免腐蚀介质的积存,避免相邻不同材料的不相容性,选择合理的工艺和表面处理方式等。在设计定型阶段的后期,应根据设计使用寿命、设计使用载荷/环境谱、全尺寸疲劳试验及评估结果和结构关键件清单制定飞机结构初期检查维修大纲,以便飞机在达到甚至超过设计使用寿命期仍能保证结构完整性。

制造过程的腐蚀控制包括两方面内容:第一,严格按设计阶段所确定的腐蚀防护工艺流程进行生产制造,如所有表面应保证设计规定的表面粗糙度、严格执行热处理规范、对氢脆敏感材料不要在含氢环境下进行焊接、装配时控制装配应力避免产生过大残余应力等。第二,要保持生产制造现场防腐防尘,如厂房保持干燥、避免污染源、避免工序间的腐蚀、清洗液和切削液无侵蚀作用等。

使用过程的腐蚀控制主要是在使用中严格贯彻执行初期检查维修大纲。按该大纲要求及时检查腐蚀状态和加强维护修理。在此基础上,当飞机使用一段时间后,还应修改初期检查维修大纲,使疲劳损伤控制、腐蚀损伤控制和意外损伤控制一直进行到飞机退役为止。

以上从四个方面进行了飞机结构抗腐蚀疲劳设计基本方法顶层设计,它本身还不是一套完整的抗腐蚀疲劳设计方法,但以此为框架,通过细化扩展并解决其中的一些关键技术问题,就能形成一套完整的飞机结构抗腐蚀疲劳设计方法。

 
关键词: 疲劳断裂 疲劳寿命


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