飛行器服役（作戰）完整性對結構疲勞斷裂設計分析的新要求

摘要：飛行器在服役使用過程中，其服役完整性、服役適用性和服役效能（對于軍用飛行器又可以稱為作戰完整性、作戰適用性和作戰效能）構成了其三個重要頂層基本屬性，以反映飛行器在服役過程中是否“能用”“好用”“管用”的程度。飛行器服役（作戰）完整性是飛行器在服役（作戰）使用過程中保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性，是飛行器綜合質量特性的反映，且由結構等各系統的服役（作戰）完整性決定的。本文在介紹飛行器服役（作戰）完整性、飛行器結構服役（作戰）完整性的基礎上，進一步介紹了飛行器結構靜態服役（作戰）完整性和動態服役（作戰）完整性的概念和表征方法，明確了飛行器結構服役（作戰）完整性符合“木桶原理”。從飛行器結構服役（作戰）完整性的需要出發，闡述了飛行器結構設計分析方面需要加強的工作以及飛行器結構疲勞斷裂設計、分析工作方面的新要求。最后，以示例形式對模塊化新型結構的疲勞斷裂設計/分析、意外損傷/戰傷和修復后的結構傳力分析和斷裂強度評估以及戰時軍用飛行器最低放飛標準的制定等需要開展的工作進行了簡要分析。本文得到的結論可以為飛行器結構的設計理念的更新及飛行器的服役（作戰）使用提供有益的參考。

關鍵詞：飛行器；服役（作戰）完整性；結構；疲勞；斷裂；設計分析

中圖分類號：V215.文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.005

飛行器作為人類社會發展的重要裝備，在服役使用過程中，其服役完整性、服役適用性和服役效能（對于軍用飛行器又可以稱為作戰完整性、作戰適用性和作戰效能）構成了其三個重要的頂層基本屬性[1-2]，以反映飛行器在服役（作戰）使用過程中“能用”“好用”“管用”的程度。飛行器的服役（作戰）完整性是飛行器在服役（作戰）使用過程中保持完好及功能未受到削弱的屬性，其反映的是飛行器在服役（作戰）使用過程中的綜合質量特性。

飛行器由結構系統、動力系統、飛控系統、環控系統、航空電子系統以及武器系統（對于軍用飛行器）等組成。因此，飛行器的服役（作戰）完整性也由結構系統、動力系統等各系統的服役（作戰）完整性構成。在服役（作戰）使用過程中，飛行器結構服役（作戰）完整性的保持對于飛行器整機的服役（作戰）完整性的保持具有重要作用。

在傳統的飛行器結構設計中，以往都是依據單項性能要求或者特性要求來進行的。如飛行器結構系統設計完成后必須要滿足相應的重量要求、服役壽命要求以及通用質量特性（如可靠性、維修性等）要求。然而，僅從結構系統的質量特性來看，依據通用質量特性參數要求設計的結構系統不一定能夠滿足綜合質量特性的要求。從結構系統的服役（作戰）完整性的角度來看，要保證飛行器結構的長壽命以及較高的抗斷裂能力，必須發展一些新的設計分析方法。本文試圖從結構服役（作戰）完整性的角度出發，對結構疲勞斷裂設計分析方面一些新的需求作一個初步分析，以供參考。

1飛行器服役（作戰）完整性簡介

1.1飛行器服役（作戰）完整性的概念

參考文獻[3]中給出了軍用飛機作戰完整性的概念并對其進行了討論。實際上，軍用飛機作戰完整性的概念是從軍用飛機整個作戰流程來分析其在作戰使用全過程中保持其完整性問題的。軍用飛機作戰使用全過程包括備戰過程（也就是訓練過程）和作戰過程，即軍用飛機的服役使用過程。因此，軍用飛機的作戰完整性也可以稱為服役完整性。對于民用飛機，也要求其在整個服役使用過程中保持完整性。因此，服役完整性的概念也適用于民用飛機。同理，服役完整性的概念也適用于其他飛行器和裝備。飛行器的服役完整性適用于所有飛行器，只不過對于軍用飛行器常常又稱飛行器作戰完整性，而對于民用飛行器常常又可以稱為飛行器使用完整性或者運行完整性[2]。

飛行器的服役（作戰）完整性可以表述為：飛行器在服役（作戰）使用過程中保持完好及功能未受到削弱的屬性。在考慮飛行器在服役（作戰）使用過程中對質量特性的要求的情況下，飛行器服役（作戰）完整性又可以表述為：飛行器在服役（作戰）使用過程中，在要求的耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性（注：也有將survivability翻譯為“生存力”的，嚴格來說“生存性”表示生存能力，“力”與“能力”是不同的概念）和修復性水平下，飛行器保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性。顯然，飛行器的服役（作戰）完整性反映的是飛行器在服役（作戰）使用過程中的綜合質量特性。

1.2飛行器服役（作戰）完整性與“六性”的關系

需要指出的是，飛行器的通用質量特性和飛行器服役（作戰）完整性的關系可以簡單分析如下：飛行器的通用質量特性“六性”是指可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性和環境適應性，稱為飛行器的通用質量特性，是圍繞裝備的故障問題逐步發展和完善起來的[4]，分別從不同的側面反映了飛行器裝備的基本特性，主要目的是保障裝備在服役期內滿足平時儲備和實際使用要求，確保穩定的工作狀態和技術性能、降低周期費用[5-6]。總的來說，裝備傳統“六性”中的“五性”在飛行器服役（作戰）完整性中的各影響參數中均有體現，而環境適應性本質上是屬于飛行器服役（作戰）適用性研究的范疇。兩者相比，飛行器通用質量特性是以飛行器的通用質量需求為牽引，反映飛行器通用質量水平的一系列度量，每個度量表明飛行器某一個方面的質量特性。而飛行器服役（作戰）完整性的應用特點更為鮮明，是以飛行器執行并完成服役（作戰）任務的需求為牽引，增加了飛行器的生存性和修復性指標，反映飛行器能否順利用于執行并完成服役（作戰）任務的綜合質量特性，是飛行器實際完好程度的一種度量。可以看出，飛行器服役（作戰）完整性與“六性”等既相互聯系，又有各自鮮明的特點，不能互相代替。

飛行器的服役（作戰）完整性是從飛行器執行完成任務的角度出發，綜合反映飛行器在整個服役（作戰）使用過程中的質量特性。譬如，對于軍用飛行器，其實際作戰使用過程既包括準備作戰（訓練）過程，也包括執行作戰任務過程以及持續完成作戰任務過程（即多次重復執行作戰任務直至完成作戰任務的過程）。如果軍用飛行器的作戰完整性差，也就是其綜合質量特性差，具體表現在飛行器的耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性和修復性等較差，將直接導致飛行器不能有效地用于完成作戰任務。對于民用飛行器，雖然沒有訓練階段，但在服役使用過程中，如果其耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性和修復性等較差（例如，由于生存性差而導致飛行器在空中飛行時遭遇鳥撞、雷擊、冰雹等意外損傷時難以安全返回，由于修復性差而導致飛行器在空中飛行遭遇意外損傷時難以快速修復等），也將直接導致其不能有效地用于完成運輸任務，直接影響航空公司的經濟效益。

1.3飛行器服役（作戰）完整性的組成

飛行器通常是由結構系統、動力系統等組成。所以，飛行器服役（作戰）完整性也由結構系統、動力系統等系統的服役（作戰）完整性構成和決定。顯然，在服役使用過程中，飛行器結構服役（作戰）完整性的保持對于飛行器整機的服役（作戰）完整性的保持具有重要作用。

2飛行器結構服役（作戰）完整性

2.1飛行器結構服役（作戰）完整性的提出

事實上，完整性的概念最早由美國空軍于1954年提出，并伴隨著美國空軍出現的一系列事故而逐步發展完善，相應的標準——飛機結構完整性大綱（aircraft structural integrity program， ASIP）也隨之進行了10余次補充與改版。美國最新的ASIP是2016年發布的MIL-STD-1530D[7]，與之相比，我國也發展了相應的飛機結構完整性大綱，如GJB775.A2012[8]。

“完整性”一詞成為表征飛機質量特性的一個重要概念[9]。最初被提出的是飛機結構完整性，而后又衍生發展出了發動機結構完整性[10]、航空電子設備完整性[11]和機械設備及子系統完整性[12]等，在飛機功能系統級的完整性上，則有武器系統完整性[13]和推進系統完整性[14]的概念。在分析軍用飛機執行并完成使命任務的基礎上，筆者在參考文獻[3]和文獻[15]中提出軍用飛機結構作戰完整性的概念。再分析民用飛機的服役使用情況，采用飛機結構服役（作戰）完整性的概念更為合適。

2.2飛行器結構服役（作戰）完整性的概念與分類

飛行器結構服役（作戰）完整性的概念如下，即飛行器結構在服役（作戰）使用過程中保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性。服役（作戰）完整性作為飛行器結構的一種屬性，一般又可以分為靜態屬性和動態屬性。靜態屬性反映結構所處的狀態，而動態屬性反映結構保持某狀態的能力。

因此，進一步分析，可以將飛行器結構服役（作戰）完整性劃分為飛行器結構靜態服役（作戰）完整性飛行器結構動態服役（作戰）完整性[4]。

2.3飛行器結構服役（作戰）完整性的關鍵問題

事實上，研究飛行器結構的服役（作戰）完整性問題，就必須研究結構在服役（作戰）使用過程中的損傷/失效模式。如果已經服役的結構沒有損傷也不發生失效，那么結構將一直可以正常服役使用。當結構有了損傷，往往隨著服役時間的延長，結構的損傷會發展，最后導致結構失效的發生。當結構發生損傷及失效時，結構的性能會發生改變，同時也會影響結構的相關特性。飛行器結構是能夠承受并傳遞載荷的由一組結構元件組成的系統。飛行器結構的基本性能可以概括為強度、剛度、穩定性、密封性和運動性等。飛行器結構的基本特性可以概括為耐久性、安全性、保障性、結構能力（用存活率表示）、生存性、修復性和環境適應性等。其中，耐久性綜合反映了可靠性和經濟性的影響，保障性包括了維修性與測試性的影響。飛行器結構環境適應性屬于服役（適用性）的研究范疇。飛行器結構的損傷/失效模式對飛行器結構的性能和特性的影響以及一些標志性事件[16-19]如圖1所示。可以看出，人們對于飛行器結構的損傷/失效模式以及對飛行器結構的性能及特性的影響的認識是一個逐步發展、深入的過程。

因此，飛行器結構服役（作戰）完整性就是在服役（作戰）使用過程中，其保持完好且功能未受到削弱的屬性。飛行器結構靜態服役（作戰）完整性就是飛行器結構在服役（作戰）使用過程中保持完好且功能未受到削弱的狀態。飛行器結構動態服役（作戰）完整性就是飛行器結構在服役（作戰）使用過程中其保持完好且功能未受到削弱的能力。在考慮飛行器結構在服役（作戰）使用過程中的通用質量特性要求的情況下，飛行器結構動態服役（作戰）完整性又可以表述為：飛行器結構在服役（作戰）使用過程中，在要求的耐久性、保障性、安全性、承載能力、生存性和修復性水平下，飛行器結構保持完好及功能未受削弱的能力。飛行器結構服役（作戰）完整性反映的是飛行器結構在作服役（作戰）使用過程中的綜合質量特性。

2.4飛行器結構服役（作戰）完整性與傳統結構完整性的區別

飛機結構完整性[7-8]的概念是指飛機結構在要求的安全性、結構能力、耐久性和保障性水平下保持完好及功能不受到削弱的狀態。結構完整性包含影響飛機安全使用和成本費用的機體強度、剛度、耐久性、損傷容限和功能等所有飛機結構特性。顯然，這一概念也可適用于其他飛行器結構的完整性。從字面上看，飛行器結構完整性的研究內涵應該更廣。飛行器結構的全壽命周期可以劃分為結構設計、結構制造、結構儲存、結構使用等階段。飛行器結構完整性是在設計中賦予、在制造中實現、在儲存中維持、在使用中維持及增長。飛行器結構服役（作戰）完整性是飛行器結構完整性在飛行器結構服役（作戰）使用過程中的體現。相應地，飛行器結構完整性在結構制造階段的體現可以稱為飛行器結構制造完整性，是結構在制造過程中實現完整及規定功能特性的屬性；飛行器結構完整性在結構儲存階段的體現可以稱為飛行器結構儲存完整性，是結構在儲存過程中保持完好及功能不退化的屬性。

另一方面，傳統飛行器結構完整性的概念是從飛行器結構在正常使用情況下的失效故障中發展起來的，重點關注結構的安全性、結構能力、耐久性和保障性等通用質量特性問題，其沒有考慮飛行器結構在使用中的意外損傷、戰傷等情況。盡管現在結構耐久性在概念內涵上有所拓展，但從其度量參量——耐久性壽命就可以看出，它主要還是針對結構的正常使用情況。對于軍用飛行器，可以認為傳統的結構完整性僅能保證飛行器在執行任務開始時是完好的。而飛行器結構服役（作戰）完整性是從飛行器結構在整個服役（作戰）使用過程中執行并完成功能任務的角度來研究的。其不僅考慮了結構在正常使用情況下的失效故障問題，還考慮了結構在執行并完成任務過程中的意外損傷、戰傷以及結構的快速、經濟修復等問題。

顯然，即使傳統意義的結構完整性得到滿足及維持，也不能保證飛行器結構在其服役（作戰）使用過程中順利執行并完成功能任務。飛行器結構服役（作戰）完整性不論是從研究角度還是研究內涵上都要較傳統的飛行器結構完整性要廣泛，也更具有工程現實意義。

2.5飛行器結構服役（作戰）完整性的表征

依據結構的健康度的不同可以將結構的狀態劃分為健康、亞健康與不健康三類。結構在健康狀態時，不需要做任何工作，其可以正常運行。結構在亞健康狀態時，其也可以正常運行，但需要做維修預案并密切監控結構運行狀態。結構在不健康狀態時，其需要立即做維修工作以恢復其健康狀態。當結構處于健康和亞健康狀態時，可以認為其處于完好狀態（或可以正常工作狀態）。對于要求嚴格的結構，也可以只認為結構在健康狀態時才處于完好狀態（或可以正常工作狀態）。因此，在結構服役中的某個時刻，依據結構的健康度數據就可以計算出結構的完好率。也就是說，結構完好率與結構健康度是不同的表征方法，但在本質上是相通的。

3飛行器結構疲勞斷裂設計分析的新要求

從上述飛行器結構服役（作戰）完整性涉及結構的耐久性、保障性、安全性、結構能力、生存性和修復性等特性看，結構服役（作戰）完整性符合“木桶原理”，要提高結構服役（作戰）完整性，必須從結構的耐久性、保障性、安全性、結構能力、生存性和修復性等這些方面開展綜合、系統的研究提升，對結構耐久性、保障性、安全性、結構能力、生存性和修復性等進行綜合權衡設計，才能使得結構作戰完整度Iso最優。目前，針對飛行器的現有結構研究工作相對來說比較充分，但對于飛行器的意外損傷/戰傷結構和新型結構研究較少。簡單分析，需要開展的研究工作見表1。

疲勞斷裂破壞是飛行器結構的常見破壞模式。從提升飛行器結構服役（作戰）完整性的角度，必然對結構疲勞斷裂設計、分析的方法提出了新要求。例如，意外損傷/戰傷后和修復后的飛行器結構的傳力分析和結構斷裂強度的評估等用傳統方法就不一定適用，必須發展精度更高的新方法。針對飛行器的現有結構、意外損傷/戰傷結構和新型結構，在疲勞斷裂設計分析方面需要開展的工作見表2。

4飛行器結構疲勞斷裂設計分析發展需求示例

上述從飛行器結構服役（作戰）完整性的要求出發，對飛行器結構的疲勞斷裂設計、分析工作的一些新需求進行了概要總結分析。

4.1模塊化新型結構的疲勞斷裂設計、分析

在以前的飛行器結構設計中，由于可靠性、耐久性的要求，整體結構被大量采用。由于減少了連接部位，使得結構的疲勞危險部位大量減少，從而提高了結構的疲勞可靠性和使用耐久性水平。但是，整體結構也有明顯的不足，即出現裂紋后的止裂性能不好。對于機翼等封閉部件，整體結構的采用將使得結構的開敞性不好，一旦結構發生意外損傷或者戰傷后，結構很難快速、經濟修復，結構的修復性不好。

從修復性角度，模塊化新型組合結構將是最好的選擇。一旦結構發生意外損傷或者戰傷，只需要更換損傷模塊即可實現結構的快速修復。從飛行器結構服役（作戰）完整性的要求出發，可靠性、修復性等結構特性應該綜合權衡設計。

然而，對于模塊化新型組合結構，由于連接方式的不同，疲勞斷裂的模式也會不同，其疲勞壽命的預測模型也會不同，含裂紋結構的剩余強度預測模型也不會相同。這些都是需要開展的新工作。

4.2意外損傷/戰傷后和修復后的結構傳力分析和斷裂強度評估

在服役（作戰）使用過程中，飛行器結構的意外損傷/戰傷是不可避免的。由于這些損傷往往存在損傷不規則、損傷部位不確定、損傷源廣布等特點，使得意外損傷/戰傷后和修復后的結構傳力分析和斷裂強度評估等都不能沿用現有的常規損傷結構的方法，必須發展滿足精度要求的新評估分析模型與方法。

例如，戰傷結構的斷裂強度評估問題。通常，戰傷結構的部位不確定，損傷形貌復雜。傳統的結構斷裂剩余強度評估方法與模型不一定適用。另外，在對損傷不嚴重的意外損傷/戰傷結構進行修復時一般采用原位加強的方法。這種修理方法將使得結構的剛度特性以及傳力路線發生變化，導致原來不危險的部位變化為危險部位，甚至增加一些新的危險部位。還有修復結構新舊不同部分的損傷分析等，這些都需要開展相應的工作。

4.3戰時軍用飛行器最低放飛標準的制定

在作戰階段，軍用飛行器的結構難免會遭受戰斗損傷。但由于戰時時間的緊迫性以及戰斗任務的需要，往往有些帶傷的飛行器在得不到修復的情況下就要立即再次投入戰斗。這時就有一個飛行器最低放飛標準的制定問題。什么樣的結構損傷可以不修復或者簡單修復就可以立即去執行某項作戰任務？什么樣的結構損傷必須修復或者修復到某種程度才可以去執行某項作戰任務？這些都需要發展新的分析模型和方法來處理。

5結論

通過研究分析，本文可以得到以下幾點結論。

（1）飛行器在服役使用過程中，其服役（作戰）完整性、服役（作戰）適用性和服役（作戰）效能構成了飛行器三個重要的頂層基本屬性，以反映飛行器在服役過程中是否“能用”“好用”“管用”的程度。飛行器服役（作戰）完整性是飛行器在服役（作戰）使用過程中保持完好（或可以正常使用）及功能未受到削弱的屬性，是飛行器綜合質量特性的反映，又是由結構等各系統的服役（作戰）完整性決定的。

（2）在介紹飛行器服役（作戰）完整性、飛行器結構服役（作戰）完整性的基礎上，進一步介紹了飛行器結構靜態服役（作戰）完整性和動態服役（作戰）完整性的概念和表征方法，明確了飛行器結構服役（作戰）完整性符合“木桶原理”。

（3）從飛行器結構服役（作戰）完整性的需要出發，初步闡述了飛行器結構設計分析需要加強的工作以及飛行器結構疲勞斷裂設計、分析方面的新要求。

（4）作為示例，對模塊化新型結構的疲勞斷裂設計/分析、意外損傷/戰傷和修復后的結構傳力分析和斷裂強度評估以及戰時軍用飛行器最低放飛標準的制定等需要開展的工作進行了分析。

本文涉及的只是初步的工作，這方面的細致工作還有待在未來開展。本文得到的一些有益的結論可以為飛行器結構設計理念的更新及飛行器服役（作戰）使用策略的制定提供有益的參考。同時，相關結論對于其他裝備及結構的設計分析也具有一定的參考價值。

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New Requirements of Structural Fatigue & Fracture Design and Analysis Based on Aircraft Operational Integrity

He Yuting

Aeronautics Engineering College，Air Force Engineering University，Xian 710038，China

Abstract： The operational integrity， operational suitability and operational effectiveness of aircraft constitute the three top basic attributes of aircraft. And they are used to respectively reflect the levels of "integrity"， "suitability" and"effectiveness" of aircraft in the operational processes. Aircraft operational integrity is the attribute which exists when aircraft is sound （or work normally） and unimpaired in its operational processes. It is the reflection of the comprehensive quality characteristics of aircraft， and it is determined by the operational integrity of various systems such as structure system， propulsion system， flight control system and so on. This paper introduces aircraft operational integrity and aircraft structural operational integrity firstly. Based on that， this paper further introduces the concepts and characterization methods of aircraft structural static operational integrity and aircraft structural dynamic operational integrity. Also， it is cleare that aircraft structural operational integrity complies with the "cask principle". According to the requirements of aircraft structural operational integrity， the work to be strengthened in aircraft structure design as well as the new requirements in the design and analysis of fatigue & fracture of aircraft structures are discussed. Finally， as examples， the requirements of fatigue & fracture design as well as analysis methods of some new modular structures， the force transferring route analyses and fracture strength assessment as well as repair methods of aircraft structures with accidental damages or battle damages， and the formulation of the lowest flight standards for military aircraft in wartime are briefly analyzed. Some useful conclusions obtained in this paper， which provide useful references for updating the design concepts of aircraft structures and the operations of aircraft in the field.

Key Words： aircraft； operational integrity； structure； fatigue； fracture； design and analysis