談?wù)勶w機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

潘龍社

（中航工業(yè)飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安 710089）

一、前言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的長(zhǎng)短主要取決于重要結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞開裂能力。現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中的疲勞、損傷容限、耐久性設(shè)計(jì)三者之間雖然在實(shí)際原理、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)目標(biāo)有本質(zhì)的不同；但就提高結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞能力而言，三者的要求基本上是一致的。這是因?yàn)轱w機(jī)的使用統(tǒng)計(jì)和研究表明，因疲勞開裂而引起的結(jié)構(gòu)破壞的概率很高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)災(zāi)難性的疲勞破壞大多數(shù)就是由于重要受力構(gòu)件或連接桿存在著高的應(yīng)力集中引起的。

二、影響結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞性的因素

影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞性的因素主要依賴如下幾個(gè)主要因素：

1 結(jié)構(gòu)材料本質(zhì)。不同材料其內(nèi)部的化學(xué)成分、金相組織、纖維方向、內(nèi)部缺陷等不一樣，其疲勞性、斷裂性能和抗腐蝕性能也并不相同。

2 結(jié)構(gòu)零件幾何形狀及表面狀態(tài)。包括尺寸效應(yīng)、缺口效應(yīng)和零件的表面光潔度等。

3 結(jié)構(gòu)的連接形式、布局及傳力路線的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)零件的表面熱處理及內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

5 零構(gòu)件的制造工藝方法。

6 結(jié)構(gòu)零部件的工作條件。對(duì)于在特定載荷環(huán)境中工作的零構(gòu)件，由于載荷、腐蝕介質(zhì)、濕度和溫度的聯(lián)合和交替，會(huì)導(dǎo)致零構(gòu)件提前發(fā)生疲勞損傷并加速損傷的擴(kuò)展。

三、結(jié)構(gòu)的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法和實(shí)例

依據(jù)影響結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞性的因素全面權(quán)衡，采取恰當(dāng)?shù)摹⒑侠淼脑O(shè)計(jì)方案來(lái)提高零構(gòu)件的抗疲勞性。

1 選材時(shí)應(yīng)綜合權(quán)衡

疲勞開裂最敏感的局部區(qū)域或元件所采用的材料很重要，盡量選擇抗疲勞性能好的材料，材料應(yīng)力水平限制在容許的范圍之內(nèi)。選材時(shí)應(yīng)遵循三個(gè)原則：對(duì)材料性能、載荷、環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)重量、經(jīng)濟(jì)性作綜合權(quán)衡；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按靜強(qiáng)度、疲勞容限等要求即區(qū)別又協(xié)調(diào)的選材；考慮材料的使用經(jīng)驗(yàn)和繼承性。如飛機(jī)很多關(guān)鍵重要零件如機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接件、發(fā)動(dòng)機(jī)的接頭等都用鍛件制造是由于鍛件承載能力大，抗疲勞能力好；飛機(jī)中央翼上壁板選用的是LC4鋁合金材料，而下壁板則選用的是LY12CZYO鋁合金材料，原因是LY12CZYO鋁合金材料的疲勞性能優(yōu)于LC4，而LC4由于靜強(qiáng)度較高疲勞極限較低，缺口敏感性較大，應(yīng)力腐蝕傾向較高，所以一般不選其為下壁板蒙皮。

2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)減緩局部應(yīng)力，降低應(yīng)力集中

應(yīng)力集中是產(chǎn)生疲勞裂紋的主要因素，應(yīng)精心設(shè)計(jì)減少應(yīng)力集中、降低局部應(yīng)力，可顯著提高零構(gòu)件壽命，甚至高達(dá)10～100倍。

1 ）設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免或減緩零構(gòu)件形狀的突變，零構(gòu)件截面大小、形狀變化緩和可使其力流線的拐折得到緩和，降低應(yīng)力集中系數(shù)。如軸類零件截面變化處和壁板厚度改變處應(yīng)有足夠的過渡區(qū)，增大圓角半徑，能夠使應(yīng)力集中系數(shù)降低，達(dá)到減緩局部應(yīng)力的目的。過渡圓弧之半徑R為厚度變化值的10倍以上，一般不會(huì)引起疲勞問題。

2 ）結(jié)構(gòu)上盡量少開口，小開口，開口位置盡可能選在低應(yīng)力處；必須開口時(shí)，要加開口部位的結(jié)構(gòu)，受拉表面最好不開口。減少孔開口附近的局部應(yīng)力的有效方法是在孔口邊緣連接上一個(gè)加強(qiáng)圓環(huán)，孔洞的應(yīng)力集中隨著加強(qiáng)圓環(huán)剛度的增加而減輕。加強(qiáng)環(huán)與圓孔的連接最有效的方式是焊接或膠接，鉚接或螺接容易導(dǎo)致孔邊更高的應(yīng)力集中。

3 ）鉚釘孔、螺栓孔等都是產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，通常采用局部加強(qiáng)，如適當(dāng)加大厚度的方法來(lái)減少局部應(yīng)力。

4 ）減少零構(gòu)件上因多個(gè)應(yīng)力集中相互影響可能引起的復(fù)合應(yīng)力集中，使這些細(xì)節(jié)相隔一定的距離并處于恰當(dāng)?shù)奈恢茫越档推湎嗷ビ绊憽?/p>

3 結(jié)構(gòu)布局和傳力路線的恰當(dāng)設(shè)計(jì)

1 ）結(jié)構(gòu)布局保持合理性：合理的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)布局，主傳力構(gòu)件就會(huì)承受并轉(zhuǎn)遞主要載荷，從構(gòu)件承受并轉(zhuǎn)遞次要載荷或很小的載荷，各個(gè)零構(gòu)件適中的保持自己的載荷能力，極大提高本零構(gòu)件系統(tǒng)的抗疲勞性。

2 ）主傳力通道保持完整：主傳力構(gòu)件一般是疲勞危險(xiǎn)件，盡量保證其完整性；避免在其上連接次要構(gòu)件以及開孔挖缺口，受力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能把傳力路線設(shè)計(jì)得最短。

4 消除偏心傳載荷強(qiáng)迫裝配

偏心傳載和強(qiáng)迫裝配會(huì)引起附加應(yīng)力，降低零構(gòu)件的抗疲勞性。盡量采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；為減少連接部位由于存在的設(shè)計(jì)間隙或工藝間隙的強(qiáng)迫裝配應(yīng)力，可采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償件。

5 連接接頭和連接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)

飛機(jī)的疲勞破壞經(jīng)常發(fā)生在接頭和鏈接件的連接處，所以連接件的抗疲勞“細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)”很重要。

（1）連接接頭盡量避免偏心

螺栓接頭：其連接一般有四種連接形式：?jiǎn)渭暨B接、雙剪連接、單嵌連接和雙嵌連接。試驗(yàn)表明：雙剪接頭比單剪好，而雙嵌連接比單嵌好，其中以雙嵌式魚尾形連接最好，可使螺栓受載比較均勻，從而提高疲勞壽命。

耳片和銷釘?shù)倪B接接頭：耳片寬度W/耳片孔徑D≤1.7；耳片的頸縮比S/W應(yīng)盡量接近1.0。提高耳片疲勞強(qiáng)度的有效措施是利用干涉配合，在耳孔中使用較高過盈的襯套以方便維修拆裝；不推薦液氮冷縮襯套，因?yàn)槠溥^盈量太小，在高載時(shí)襯套和耳片之間會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)損傷，使壽命大大降低。

（2）緊固件連接設(shè)計(jì)

緊固件分為螺栓和鉚釘兩大類。螺栓用來(lái)傳遞較大載荷，主要用于接頭設(shè)計(jì)或者重要、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)鏈接的設(shè)計(jì)。對(duì)于較厚的連結(jié)結(jié)構(gòu)、需要拆卸的部位、層數(shù)較多（3層以上）的連接，應(yīng)選擇螺栓連接。鉚釘主要用于其它一般薄壁結(jié)構(gòu)不可拆卸的連接。

1 ）緊固件鏈接的細(xì)節(jié)連接尺寸要求：（一般）緊固件的最小邊距≥2倍緊固件直徑，對(duì)非疲勞危險(xiǎn)部位，最小邊緣減至緊固件直徑的1.5倍，而較重要的連接應(yīng)不小于2倍緊固件直徑；保持緊固件間距為3.5～4倍緊固件直徑，過小可能使孔邊的應(yīng)力集中疊加，過大，則緊固件數(shù)量減少，影響傳載能力。

2 ）緊固件選用基本原則：

螺栓的選用：螺栓最常用材料是30CRMNSIA，直徑一般≥M5；盡可能地將螺栓受力設(shè)計(jì)為受剪或者拉剪復(fù)合以提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。受拉螺栓的裝配一般選擇間隙配合，受剪和拉剪復(fù)合螺栓選擇干涉配合或者小間隙配合。螺栓孔應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化處理，以保證疲勞壽命的要求。盡可能的提高所有受剪螺栓的配合精度，以保證其受力均勻。對(duì)于M8以上和關(guān)鍵重要螺栓，安裝時(shí)要有預(yù)緊力矩，適當(dāng)預(yù)緊力會(huì)提高螺栓疲勞強(qiáng)度。

鉚釘?shù)膽?yīng)用：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鉚釘最常用材料是LY10,直徑一般不小于4mm,不大于6mm。

由于鉚釘?shù)某屑裟芰?qiáng)而受拉能力弱，一般不考慮受拉，組合件設(shè)計(jì)布置時(shí)盡可能地將鉚釘受力設(shè)計(jì)為受剪或者拉剪復(fù)合（拉力較小），鉚釘剪切破壞載荷為光桿面積剪切破壞載荷，鉚釘連接盡量使用干涉配合以提高疲勞強(qiáng)度；當(dāng)緊固件載荷主要為拉伸載荷時(shí)，除非載荷較小，否則應(yīng)考慮改為螺栓連接。

只要條件允許采用凸頭鉚釘，就不要采用埋頭鉚釘。結(jié)構(gòu)外表面選用埋頭鉚釘主要是氣動(dòng)和外形的要求，應(yīng)注意鉚釘頭處結(jié)構(gòu)件上的锪窩深度，埋頭窩的锪窩深度不應(yīng)超過板厚的2/3，至少應(yīng)保證板厚與锪窩深度之差不小于0.5mm。

在邊距允許的情況下，避免采用單排列，盡可能采用雙排或三排排列；而平行排列與交錯(cuò)排列相比，由于平行排列時(shí)力的流水線較好，因而疲勞壽命較高。

3 ）緊固件孔制作和連接方法

緊固件孔推薦使用鉆鉸后加冷擠壓制孔，這是因?yàn)殚_孔冷擠壓在孔邊產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力能大大降低在拉伸載荷下的孔邊平均應(yīng)力；但要注意冷擠壓后鉸孔的鉸削量不要太大以免消除有利的殘余應(yīng)力。適當(dāng)?shù)母缮媾浜峡梢匝娱L(zhǎng)孔邊的疲勞壽命；名義干涉量應(yīng)保持在2%左右。

4 ）緊固件孔構(gòu)件裝配：

緊固件連接件應(yīng)在制孔（配鉆）后立即進(jìn)行，盡量保證不分開兩個(gè)被連接件，以避免錯(cuò)位和偏心。盡量避免混合使用鉚釘和螺栓。這是由于鉚釘配合較緊，在鉚釘變形甚至消除了螺栓與螺栓孔之間的間隙后，螺栓才開始承受載荷，容易致使鉚釘超載而導(dǎo)致提前破壞。

5 ）搭接件的設(shè)計(jì)要求

搭接件的作用是傳遞載荷，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量縮短其搭接長(zhǎng)度，不要使用一長(zhǎng)串的緊固件，以免兩端緊固件傳遞載荷過大而提前屈服。一般的平板搭接采用三排，做多四排緊固件；第一排緊固件附近容易發(fā)生疲勞破壞，可采用變厚度搭接板或薄的輔助搭接板，以減輕第一排緊固件的負(fù)擔(dān)。

6 選擇合理的工藝方法

工藝方法選擇恰當(dāng)與否不僅關(guān)系到零構(gòu)件能否經(jīng)濟(jì)且方便的制造和裝配，還會(huì)明顯地影響它們的疲勞、斷裂性能。如提高零件的表面光潔度、對(duì)零件表面進(jìn)行表面強(qiáng)化、不同的熱處理工藝、選擇合理的精加工的切削速度、切削量和加工工序、選擇合理的裝配順序和恰當(dāng)?shù)墓に囇a(bǔ)償?shù)榷寄苡绊戯w機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)于從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在平時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)稍加改進(jìn)常可以使受力構(gòu)件或鏈接件壽命大大增加；高度重視結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的抗疲勞性是一項(xiàng)必要的工作，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命、高可靠性、低成本維修的重要保證。

[1]熊俊江.飛行器結(jié)構(gòu)疲勞與壽命[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]陶梅貞.現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4]飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究所.疲勞分析手冊(cè)[M].飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究所出版，1985.