材料也疲勞

劉　林

我們都有這樣的生活經驗。一段鐵絲，彎一次一般不會斷。但是反復彎折，鐵絲遲早就會斷開。這是什么原因呢?這里面就涉及到材料的一個基本特性——疲勞。材料的疲勞是由交變載荷導致的。更確切的說，是由于材料中應力狀態的改變而產生的。應力大小、方向的改變都會導致疲勞。我們還是拿彎曲鐵絲做例子，讓我們看看鐵絲是怎樣被彎斷的。當我們用雙手彎曲鐵絲時，鐵絲上表面的材料處于拉伸應力中，而下表面材料處于壓縮應力中。當彎曲的方向改變時，鐵絲的受力狀態剛好相反，這時鐵絲上表面的材料處于壓縮應力中，下表面材料處于拉伸應力中。由于我們反復的彎曲鐵絲，鐵絲上下表面不斷的處于拉伸-壓縮-拉伸這樣的交替應力中。材料在這種反復應力狀態下的強度要低于靜止應力狀態下的強度。當達到一定的彎曲次數后，鐵絲就斷了。反復應力狀態下的材料強度就是材料的疲勞強度。靜止應力狀態下的材料強度就是材料的極限強度。材料的疲勞強度低于極限強度。這就是為什么我們不能一下把鐵絲彎斷，而要反復彎曲。

材料的疲勞有兩個主要特性。第一是應力越大，壽命越短。好比一根鐵絲，反復彎曲得越厲害，斷裂就越迅速。這是符合我們生活直覺的。你反復彎曲一根鐵絲越厲害，使鐵絲斷裂所需要彎曲的次數越少；第二是疲勞壽命具有累積性。比如，一根鐵絲在彎曲一千次的時候會斷裂。如果你今天彎曲了一百次，感覺累了，就把它放到一邊。第二天你休息之后又有力氣了，接著彎它。那么你需要再彎曲它多少次鐵絲才會斷裂呢?是不是鐵絲在休息了一夜之后，壽命又恢復到了一千次?不是的。由于你在前一天已經彎曲了它一百次，你只要再彎曲它九百次它就會斷裂了。這就是材料壽命的累積性。

固定翼飛機的材料疲勞問題

可以說諸如建筑、汽車、輪船和飛機上所要承受載荷的結構都要遇到材料疲勞的問題。但是在航空上，材料的疲勞更是一個尤其重要的問題。為什么呢?有兩個主要原因。第一，因為重量對飛機來說是一個非常關鍵的設計參數。為了使得飛機有更好的性能和更大的載重量，飛機設計人員要盡他們所能降低飛機的結構重量。這就要求飛機的結構部件尺寸盡可能的小。在相同載荷下，一般來說部件尺寸越小，部件所要承受的應力越大。我們上面提到的材料疲勞的第一個特性就是應力越大，壽命越短；第二個原因是由飛機的受力特性決定的。飛機要比其他運輸工具有更大的過載——即加速度。比如在飛機降落時，飛機的起落架要承受很大的過載。另外對戰斗機來說，靈活的機動性要求飛機可以做高達好幾倍重力加速度的過載。可以想象，這對飛機的承力結構來說提出了很高的強度要求。綜合這兩方面，我們說材料疲勞在航空領域是一個非常重要的問題。可以說，疲勞是不可避免的，就像一切生物的壽命都是有限的一樣，材料的疲勞壽命也是有限的。工程師的任務之一是盡量保證飛機部件的結構疲勞壽命長于飛機的使用年限，也就是說保證飛機在使用年限中結構的安全性。

人們對飛機材料疲勞特性重要性的認識是通過慘痛的事故才逐步認識到。1949年，“彗星”號噴氣式客機進行了首飛。這是世界上第一種投入生產的噴氣式客機，由英國的德·哈維蘭德公司開發生產。在投入運營之前，這種飛機經歷了當時民航客機所經歷的最為嚴格的各項測試。其中一項是飛機舷窗的靜力測試。試驗顯示飛機舷窗框架結構可以承受的壓力超過運營中將要遇到的最大壓力十倍以上。看樣子舷窗是足夠堅固了。

由于性能優異，“彗星”客機從上世紀50年代初投入運營后受到了客戶的廣泛歡迎，成為了當時的熱門產品。但是在1954年的前半年里，連續發生了兩起“彗星”機毀人亡的嚴重事故。第一次事故發生在1月。人們只是覺得這是個意外，還沒有引起足夠的重視，所以就沒有進行全面深入的調查。“彗星”飛機照樣執行航班任務；5月份發生了第二起事故。第二起事故中，飛機空中解體，掉到了海里。這下子人們開始重視了。“彗星”客機全部停飛。當時第二次出任英國首相的溫斯頓丘吉爾命令皇家海軍打撈飛機殘骸，一個大調查委員會開始對這兩起事故進行徹底調查。

調查人員將“彗星”飛機的機體框架進行反復的加壓一減壓試驗。在3057個周期之后，飛機前面逃逸艙門處的金屬結構疲勞斷裂了。調查人員進一步發現飛機方形舷窗拐角處的應力比事先想象的要大，除此之外，飛機蒙皮中的應力也超過了預期。還有一個不容忽視的因素是在舷窗的安裝中使用了沖擊鉚接方法。和鉆孔鉚接不同，在沖鉚的過程中，鉚釘孔周邊會出現一些缺陷。這種缺陷往往成為材料斷裂的發源地。所有這些因素通過反復加壓-減壓導致的金屬疲勞的形式反映出來，最終造成了飛機結構的斷裂，導致了慘劇的發生。

為什么要給飛機加壓減壓呢?加壓一減壓又是怎樣導致金屬疲勞的呢?我們知道大氣壓隨著高度的增加而降低。人類最適于在一個大氣壓下生活。如果壓力降低，人會感到不適，如果壓力過低，甚至會有生命危險。所以飛機在高空中要給座艙增壓，保持乘客和機組的舒適和安全。一般以3000米為界。飛機高度超過3000米，就要給飛機座艙增壓。坐飛機時我們都有這樣的體驗。當飛機上升時，我們耳朵里面會稍稍有不太舒服的感覺。這就是由于外面大氣壓降低導致的。當飛機停在地面時，飛機內外的氣壓一致，舷窗周圍沒有過多的應力。這時飛機就像一個癟了的氣球。當飛機飛入高空后，外面的氣壓低，內部由于增壓，氣壓比外面的高。這樣，飛機的舷窗被內部的高壓向外推。這時的飛機就像一個吹鼓了氣的氣球。舷窗周圍的結構中就產生了應力。從疲勞的角度說，飛機要是這么一直在天上飛也罷了，可是飛機還要降落。飛機降落之后，內外壓強又一樣了。這個鼓了的氣球又癟了，舷窗周圍結構中的應力又消失了。然后飛機又起飛，應力又出現了。正是加壓一減壓過程中導致的飛機結構中應力的有無引起了金屬的疲勞。實際上，加壓一減壓導致的疲勞屬于地面-空中-地面疲勞的一種。地面-空中-地面疲勞是飛機的一種主要低頻率疲勞。可以說，飛機的所有承力結構部件都要經受這種疲勞的折磨。比如機翼——在地面時，飛機的機翼只需要承受機翼本身的重量。此時的機翼可以看作一個放松的皮筋；飛機升空之后，如果是水平直線飛行，機翼就要承受飛機全部的重量。實際上在飛行過程中，飛機相當于掛在兩個機翼上。此時的機翼可以看作一個繃緊的皮筋。飛機降落后，機翼又只要承受自己的重量了。繃緊的皮筋又放松了。這種放松-繃緊-放松就導致了機翼的地面-空中-地面疲勞。

直升機的疲勞問題

前面籠統的提到了飛機結構的疲勞問題。對于飛行器里面的特殊種類——直升機來說，疲勞問題更為嚴重。為什么呢?主要有兩方面的原因。一是直升機特有的

槳葉周期受力特性；二是直升機的不穩定性。這兩個因素都會導致結構材料的高頻率疲勞。

上面提到的地面-空中-地面疲勞由于是由飛機的起降次數決定的，被稱為低頻率疲勞。還有一種飛機疲勞叫做高頻率疲勞。和地面-空中-地面的低頻率疲勞相比，這種疲勞的頻率高，通常和飛行器的運轉直接相關。還是拿鐵絲作為例子。我們已經講到了向一個方向彎鐵絲，鐵絲的一面受到拉伸，另一面受到壓縮。現在讓我們設想這樣一個情景。保持對鐵絲的彎曲不變，同時開始將鐵絲沿著鐵絲的縱軸旋轉。這時會發生什么呢?可以想象，由于鐵絲的旋轉，鐵絲表面上的某一個固定點一會兒受壓力，一會兒受拉力。處于交變應力下，鐵絲處于疲勞狀態。實際上這根鐵絲可以被看成是飛行器上一根旋轉軸的模型。和地面-空中-地面疲勞這種緩慢發生的疲勞相對比，這種和飛機部件旋轉相關聯的疲勞就被稱為高頻率疲勞。

為什么說直升機的高頻率疲勞要比固定翼飛機嚴重呢?這要從飛行器的受力情況談起。固定翼飛機只是靠機翼提供升力，但是對直升機來說，旋翼(俗稱螺旋槳)既要提供飛機的升力，還要提供飛機克服阻力飛行的推動力。如果你注意一下直升機的構型，就會發現直升機的旋翼由多片槳葉構成。不同種類的直升機槳葉數量不同，從最少的兩片到最多的八片不等。直升機槳葉數目的多少是在綜合考慮多方面設計參數后確定的。四片槳葉的旋翼是很多中型直升機的選擇。以四槳葉旋翼直升機為例，讓我們簡單分析一下直升機槳葉在飛行中的受力狀態。在直升機前飛時，一側的槳葉旋轉方向和飛行方向一致，被稱為前行槳葉。另一側的槳葉旋轉方向和飛行方向相反，被稱為逆行槳葉。前行槳葉對空氣的相對速度要大于逆行槳葉對空氣的相對速度。空氣動力學告訴我們，升力和吹過槳葉的空氣速度平方成正比例。如果前行槳葉和逆行槳葉的空氣迎角一樣，那么前行槳葉就要產生大于逆行槳葉的升力。這種兩側升力的不平衡會導致直升機傾斜。因此就要求直升機在槳葉的旋轉過程中能夠對槳葉的迎角進行調整。在槳葉處于前行時，減小迎角，在槳葉處于逆行時，增加迎角。因為有四片槳葉，在旋翼旋轉一圈的過程中，就會在直升機上產生四次載荷的變化。同時，對直升機來說，主旋翼槳葉產生的渦流漩渦會和直升機的尾梁和尾槳發生作用，產生振動。對于有四片主槳葉的直升機來說，尾梁和尾槳在主槳旋轉一圈的過程中，會遇到四個尾流漩渦，從而產生四次振動。這種每圈四次的載荷和振動就導致了直升機的高頻率疲勞。做個比喻，如果說固定翼飛機的飛行相當于一輛在平坦的地面上滑行的自行車的話，直升機就相當于在一個坑洼不平的路面上顛簸前進的自行車。你說，哪個自行車壞得更快呢?

直升機的高頻率疲勞比固定翼飛機嚴重的第二個原因是直升機固有的不穩定性。這個問題是由固定翼飛機和直升機各自的特性所決定的，討論起來要復雜些。還是做個簡單的比喻吧。如果說固定翼飛機的駕駛員是在平坦的路面上行走，直升機的駕駛員就是在走鋼絲。從動力學的角度來說，大多數固定翼飛機都是穩定的，而直升機都是不穩定的。由于直升機特有的不穩定性，駕駛員的手腳要一直協調運動，才能將直升機保持在正常的姿態下。這導致了直升機結構中要經受不斷變化的交變載荷。和地面-空中-地面疲勞相比，這種交變載荷引起的疲勞也屬于高頻率疲勞。不過，有失必有得。一般來說，直升機具有固定翼飛機無法比擬的機動性。

綜合以上兩個因素，直升機的高頻率疲勞比固定翼飛機要嚴重。嚴重的高頻率疲勞，加上地面-空中-地面低頻率疲勞，所以疲勞問題對直升機來說更為嚴重。

如何減小疲勞造成的損害

前面提到了材料的疲勞不可能完全避免，那么有沒有延長材料疲勞壽命，增加疲勞強度的方法呢?有很多。其中很重要很有效的兩個方法是減小應力集中和減小材料的缺陷。嚴格來講，減小材料的缺陷也是減小應力集中的途徑。我們在前面關于“彗星”事故原因的討論之中實際對這兩個問題都有所涉及。我們談到“彗星”飛機的舷窗是方形的，在拐角處應力很大。這就是應力集中。我們再以受相同拉力的兩根鐵棒為例，其中一根棒的中心有一個圓孔。那么在這兩根棒中心處的橫截面上，應力分布是什么樣的呢?其實，在沒有圓孔的均勻棒的橫截面上，應力是均勻分布的。而在有圓孔的棒通過圓孔的橫截面上，應力的分布不再是均勻的了。在靠近圓孔的位置應力高，遠離圓孔的位置應力低。在圓孔邊緣的應力最高，這里的應力要高于均勻棒的平均應力。離圓孔最遠位置的應力最低，這里的應力要低于均勻棒的平均應力。這就是應力集中現象。應力集中一般是由于材料的外形不連續造成的。像棒里的洞，或者材料的拐角處。由于材料的疲勞壽命是由材料中的最高應力決定的，所以應力集中通常會降低材料的壽命。“彗星”飛機方形舷窗拐角處的應力集中使得飛機疲勞壽命降低。所以在“彗星”之后的飛機中，舷窗的形狀都改成橢圓形或者圓形。下次你坐飛機的時候可以注意一下舷窗的形狀。我們在討論“彗星”事故調查的時候還提到了舷窗的安裝采用了沖擊鉚接的方式。這種方法會造成鉚釘孔周圍缺陷的產生。在材料的缺陷處會出現應力集中。另外，從斷裂力學角度講，這些缺陷通常是裂紋產生的發源地。

減小應力集中可以通過改變設計來實現。在飛機部件的設計中，要盡量避免外形的突然變化。如果外形有突然的變化，設計者要考慮由此產生的應力集中對疲勞壽命的影響。減小材料的缺陷可以通過改變和控制材料的生產和部件的生產加工過程來實現。增加材料的疲勞強度和疲勞壽命還有一些其它的辦法。由于篇幅所限，我們就不一一討論了。

最后談一談在飛機的設計開發和生產中是如何考慮材料的疲勞壽命問題的。設計師在設計飛機部件時首先要選定材料。在這個過程中要考慮很多因素。其中之一是材料的疲勞強度。簡單的講就是這種材料在一定的載荷下能夠經受多少個加載，卸載的載荷周期。這種數據只能夠通過材料的疲勞試驗來獲得。材料的疲勞試驗一般使用材料樣本試件。試驗員將試件安裝在疲勞試驗機上，設定靜載荷以及動載荷的范圍，并且設定動載荷的頻率，然后開動試驗機。試驗機通過液壓作用，將交變動載荷施加在試件上，同時開始對動載荷的施加次數開始計數。這種試驗可以自動進行下去，直到試件斷裂。這時試驗員記錄下試件在斷裂前所累積的動載荷次數，如此就獲得了一個數據點。他可以改變動載荷或者靜載荷的大小，開始另外一次試驗以獲得另外一個數據點。由于材料的疲勞強度或者壽命具有統計特性，所以一般在一種載荷的條件下要對很多相同的試件進行測試。這樣經過一系列的疲勞試驗，我們就得到了材料試件的疲勞分布曲線。飛機設計人員根據這些疲勞分布曲線來決定所設計的部件是否能夠滿足疲勞壽命的

需要。

我們通過材料的試件疲勞試驗得到了材料疲勞壽命分布曲線。但是要想保證飛機的安全，光有試件試驗還不夠。在飛機正式試飛前，還要對飛機的重要承載部件進行全尺寸部件疲勞試驗以獲得部件本身的疲勞參數。比如，直升機的尾傳動軸要在飛機試飛前進行扭轉和彎曲的疲勞試驗。試驗的辦法是將實際的傳動軸安裝在疲勞試驗臺上，逐步增加動載荷，直到傳動軸斷裂。有了這些試驗，飛機設計人員就具備了對飛機各個部件的疲勞壽命比較可靠的數據。但是單獨依靠試驗獲得部件疲勞信息，也有它的缺陷。什么缺陷呢?費用高，時間長，另外還有一個不容忽視的就是對試驗本身的合理性和可靠性缺乏有效的驗證手段。飛機的部件，尤其是主要承力部件，都是非常貴重的。一般來說，疲勞試驗光測試一個部件不夠，所以費用高；時間長。一根傳動軸的疲勞試驗可能要長達一個星期；另外，如果在試驗過程中有錯誤產生，不太容易被立即發現。為了對付這些缺點，現代飛機設計中廣泛采用了結構分析這一方法。在結構分析中，有一種被稱為有限元分析方法的計算方法。這種采用了微積分中“化整為零”概念的非常有效的力學分析方法在計算機技術迅速發展之后成為了一種非常方便的工程手段。飛機結構工程師在計算機中建立飛機部件的有限元模型，計算機迅速求解。通過這種數字模擬，飛機部件在載荷下的應力狀態一目了然。在獲得部件應力之后，結構工程師可以參考材料的疲勞數據計算出部件的壽命。如果計算出的壽命和試驗中得到的壽命一致，那么這個試驗數據的可信性是非常高的。如果不一致并且相差很遠，那么兩者之中要么一個有問題，要么兩個都不可信。就要找原因。一般來說，對于單向應力狀態的部件疲勞壽命計算，計算機模擬可以提供和試驗數據非常近似的結果。采用計算機模擬計算疲勞壽命具有費用低，速度快的優點，對疲勞試驗還可以進行進一步的驗證，所以已經成為現代飛機開發中不可缺少的有力工具。在某些情況下，計算機模擬甚至在某種程度上可以完全取代疲勞試驗。

在這里，我們只是簡單的介紹了一下材料疲勞和航空里面的材料疲勞問題，談到了和固定翼飛機相比，為什么直升機的疲勞問題更為嚴重。討論了增加疲勞壽命的方法以及在現代航空領域是如何對付疲勞問題的。本文對這些問題中任何一個的論述都只涉及到一些皮毛，但是也是很重要的皮毛。對任何問題的認識都是～個積累的過程。我們今天可以對材料疲勞有比我們的前輩更多的了解正是因為他們已經作了他們的工作。今天我們也同樣有很多問題沒有認識，包括疲勞問題本身，還有很多未知的領域。希望有更多的朋友們加入到航空這個領域來不斷探索。

責任編輯：新浜