飛機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計研究

張偉 周帆 楊建江

摘 要：飛機結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何將機械產(chǎn)品在使用周期內(nèi)安全服役，滿足設(shè)計使用要求，一定時間范圍內(nèi)發(fā)揮其功能，引入強度設(shè)計技術(shù)顯得更為重要。本文研究了強度設(shè)計技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：飛機結(jié)構(gòu) 強度 設(shè)計

中圖分類號：V215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0096-02飛機結(jié)構(gòu)強度是指在規(guī)定的力學(xué)環(huán)境下飛機結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞和保持安全工作的能力。在飛機設(shè)計過程中，為了提高飛機的整體機構(gòu)強度，設(shè)計人員需要針對不同的載荷環(huán)境以及不同的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分類解決結(jié)構(gòu)強度問題。目前，飛機結(jié)構(gòu)強度研究領(lǐng)域主要包括靜強度、動強度與氣動彈性不穩(wěn)定性、疲勞/斷裂和損傷容限等。就我國現(xiàn)有情況，強度設(shè)計技術(shù)在使用深度和應(yīng)用效果方面遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的程度。強度優(yōu)化設(shè)計技術(shù)是一種具有可以人為控制、無破壞性、允許多次重復(fù)修改、不受外界條件限制等優(yōu)點的綜合性試驗技術(shù)，能夠較大提升產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量，節(jié)約科研經(jīng)費，節(jié)約試驗費用，同時縮短產(chǎn)品研制周期。本文就飛機結(jié)構(gòu)強度涉及的強度問題分別做詳細(xì)探討。

1 靜強度

在飛機設(shè)計領(lǐng)域，靜強度是指飛機結(jié)構(gòu)在一定條件下承受最大靜載荷而不發(fā)生破壞且能安全使用的能力。其中，最大靜載荷是指飛機在允許的地面和飛行使用中能產(chǎn)生的最大和最嚴(yán)酷的疊加載荷：極限載荷是指限制載荷乘以不確定系數(shù)，以極限載荷作為設(shè)計依據(jù)，在使用過程中即使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，破壞風(fēng)險也可降低到可接受的水平；破壞載荷是指在給定的載荷工況下，飛機結(jié)構(gòu)發(fā)生總體破壞時的載荷。

1.1 靜強度分析

靜強度分析主要包括應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析及靜力穩(wěn)定性分析，并進(jìn)而對強度、剛度和穩(wěn)定性要求進(jìn)行校核。一般認(rèn)為載荷是以極其緩慢的速率作用到受力體上，且不考慮載荷的往復(fù)循環(huán)作用，不考慮材料的動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)沒有動態(tài)響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)的慣性力同樣進(jìn)行靜載荷處理。

1.2 靜力穩(wěn)定性

靜力穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在小于臨界靜載荷的載荷作用下處于平衡狀態(tài)，當(dāng)受到微小載荷擾動時，在擾動載荷消失后仍可恢復(fù)原有的變形而不繼續(xù)擴大，保持原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受臨界靜載荷時，如果給予一個小的載荷擾動，會使變形增加很大，使整個結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)的承載能力顯著下降甚至完全失去承載能力。

2 動強度與氣動彈性不穩(wěn)定性

動強度是指結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷和動力環(huán)境下，承受振動和沖擊而不破壞并保持安全工作的能力。飛機飛行過程中的動載荷和動力環(huán)境比較復(fù)雜，具有不確定性，主要包括如下方面。

2.1 振動的動載荷

振動的動載荷有兩種：突風(fēng)和晃振。突風(fēng)，指在2～3km高度以下，法向和側(cè)向的突風(fēng)在引起結(jié)構(gòu)附加載荷的同時會引起引起結(jié)構(gòu)的振動抖振，飛機在急劇機動飛行時，一個部件上自身氣流發(fā)生分離而產(chǎn)生自身的強迫振動，或由此分離氣流引起另一個部件產(chǎn)生強迫振動?；握瘢跈C動飛行、油箱充壓及燃油晃動下，引起脈動壓力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動。此外還有如發(fā)動機、螺旋槳本身是機體重要的振動源，機載設(shè)備和系統(tǒng)中的電機、泵、液壓機等振動源引起的振動。

2.2 沖擊的動載荷

主要有兩類：第一類，離散源撞擊，主要包括如飛鳥撞擊、發(fā)動機碎片、地面碎石、冰雹、彈片等的撞擊。第二類來自武器發(fā)射器或貨物投放，航空器著陸（或著水、著艦）、滑行和地面機動等沖擊載荷，上述動載荷和動力環(huán)境通過結(jié)構(gòu)及相關(guān)系統(tǒng)固有的動力學(xué)特性產(chǎn)生的過大產(chǎn)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或發(fā)生動態(tài)疲勞損傷，影響結(jié)構(gòu)的強度；還會導(dǎo)致機載設(shè)備、系統(tǒng)發(fā)生功能失效或損壞，嚴(yán)重影響飛機的安全。

2.3 氣動彈性不穩(wěn)定性

空氣動力與彈性結(jié)構(gòu)（如飛機、航空器）相互作用引起結(jié)構(gòu)的變形或振動，當(dāng)空氣動力能量超過結(jié)構(gòu)變形的能量，使變形不斷加大或空氣動力能量超過結(jié)構(gòu)與空氣動力阻尼耗散的能量使振動不斷加劇，氣動彈性就從穩(wěn)定到進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。氣動彈性可分為靜氣動彈性、動氣動彈性、氣動伺服彈性和熱氣動彈性。

2.4 疲勞斷裂

疲勞斷裂包括裂紋形成階段和裂紋擴展階段，結(jié)構(gòu)本身飛機在重復(fù)載荷、載荷環(huán)境變化作用下，由微小缺陷擴展形成微裂紋，隨著載荷不斷作用，最后形成疲勞裂紋甚至破壞。隨著飛行次數(shù)不斷增加，裂紋的繼續(xù)擴展使承載能力逐步下降，直到進(jìn)入快速裂紋擴展達(dá)到臨界裂紋時發(fā)生斷裂破壞，使整個結(jié)構(gòu)喪失承載能力。裂紋形成壽命通常是指將裂紋達(dá)到可檢尺寸之前的壽命，而裂紋擴展壽命是指裂紋從可檢裂紋尺寸開始到斷裂的壽命。

裂紋出現(xiàn)和擴展的主要原因是結(jié)構(gòu)受到重復(fù)載荷造成的，重復(fù)載荷源很多，主要有地面發(fā)動機開車、牽引滑行、著陸、著艦、彈射起飛、機動飛行和突風(fēng)、操縱系統(tǒng)工作、座艙增壓、抖振和地形跟蹤飛行等。重復(fù)載荷較為復(fù)雜，通常我們用載荷譜來計算重復(fù)載荷情況。載荷譜，是指結(jié)構(gòu)所承受的載荷隨時間變化的歷程，通常由各種載荷大小、分布及相應(yīng)的頻率按出現(xiàn)先后次序排列而成或由隨機載荷過程的統(tǒng)計特性來表示。在疲勞設(shè)計或試驗時，通常根據(jù)疲勞損傷等效原則將實際載荷譜簡化成便于表達(dá)的簡單載荷譜。載荷譜的種類也很多，常見的載荷譜有：等幅譜、程序塊譜、隨機譜、飛續(xù)飛譜等。

3 強度設(shè)計的作用

3.1 讓數(shù)字化設(shè)計成為可能

強度產(chǎn)品設(shè)計是一個迭代完善的過程，尤其對于飛機、懸掛發(fā)射裝置、導(dǎo)彈等集各種先進(jìn)科技成果于一體的產(chǎn)品，設(shè)計結(jié)果都需要進(jìn)行反復(fù)多次的地面試驗，才能驗證設(shè)計結(jié)果能否符合要求。在引入強度設(shè)計獲得大規(guī)模應(yīng)用之前，大部分試驗都是依靠產(chǎn)品樣機進(jìn)行的，不僅成本高昂，而且試驗一旦失敗，對后續(xù)設(shè)計將會產(chǎn)生極大影響，無形之中增加研制成本，研制周期也得不到保證。隨著強度設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)，推動設(shè)計向數(shù)字化模式轉(zhuǎn)變，這個問題終于得到了解決。

3.2 降低設(shè)計成本

20世紀(jì)90年代，數(shù)字化設(shè)計與驗證理論引入到機械產(chǎn)品設(shè)計中。數(shù)字化驗證是通過對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)字化建模和仿真，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在設(shè)計過程中實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜強度技術(shù)設(shè)計、動強度技術(shù)設(shè)計、氣動載荷仿真等，能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，以此提高制造質(zhì)量，具有快速響應(yīng)、充分利用資源、超越空間約束等特點。對于航空懸掛發(fā)射裝置領(lǐng)域的產(chǎn)品而言，產(chǎn)品外形、布局設(shè)計都與性能指標(biāo)密切相關(guān)，在設(shè)計過程中如果能及時發(fā)現(xiàn)缺陷，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，就能大幅降低研制成本，避免走彎路。

3.3 快速準(zhǔn)確定位故障原因

機載武器裝備是飛機的重要組成部分，直接決定其戰(zhàn)斗能力。在嚴(yán)酷的試驗過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)振動裂紋、沖擊破壞、靜力變形過大等諸多問題，這些故障的出現(xiàn)只靠工程師經(jīng)驗或者試驗很難發(fā)現(xiàn)其根本原因。飛機裝備制造是一個國家高精尖技術(shù)的集中體現(xiàn)，在飛機飛行過程中，及時對裝備進(jìn)行裝備預(yù)示和診斷，在數(shù)以萬計的高精密零部件中進(jìn)行精確定位，準(zhǔn)確預(yù)估故障級別，以便進(jìn)行運行時故障排除或地面維修淮備。利用計算機強度分析技術(shù)，引入強度分析后，能夠快速還原故障現(xiàn)象，準(zhǔn)確定位故障原因，快速排除故障，是保持戰(zhàn)斗力的重要保證。

4 結(jié)語

在國際軍事實力競爭越來越激烈的今天，強度設(shè)計技術(shù)引入飛機設(shè)計中勢必會減少設(shè)計成本，降低研制費用，提高飛機的整體作戰(zhàn)性能。隨著計算機技術(shù)快速發(fā)展，飛機結(jié)構(gòu)件機械產(chǎn)品強度設(shè)計越來越為重要地擺在每一設(shè)計師面前，將是未來機械設(shè)計發(fā)展的主旋律。而且高性能計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜機械系統(tǒng)比如飛機結(jié)構(gòu)件的強度設(shè)計分析提供有力支撐，兩者相輔相成，必將不斷促進(jìn)飛機結(jié)構(gòu)強度的飛速發(fā)展。

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