飞机结构损伤容限/耐久性设计与分析

是刘文珽等在传统的疲劳分析方法上加以发展建立的耐久性分析方法。它以结构细节裂纹萌生并达到经济修理极限时对应的“裂纹萌生寿命”P－S－N曲线族和谱载下寿命估算的线性累积损伤理论(Miner理论)为基础，结构细节群的IFQ由结构细节裂纹萌生P－S－N曲线族表示，可用于建立损伤度随时间变化的函数关系，并预测结构的经济寿命，但不能计及谱载中载荷的顺序效应。它的应用前提条件是有结构材料的常规疲劳试验数据和1－2组结构细节模拟试件在恒幅载荷下的顺序效应，同时注意到较小样本模拟试件所得裂纹萌生寿命标准差偏小而造成结果偏危险的情况，对原有裂纹萌生方法做了重要改进。

2.2　损伤容限分析方法

剩余强度、裂纹扩展寿命和损伤检查并称为损伤容限的三要素，现在进行损伤容限分析的主要方法是概率损伤容限法。免费论文。其目的是把结构的剩余强度及裂纹扩展寿命和可靠度联系在一起，以保证结构在指定的高可靠度下满足剩余强度要求，并由指定可靠度下的安全裂纹扩展寿命确定结构的检查周期。

指定使用时间（裂纹扩展寿命t）所对应的结构安全可靠度分析是概率损伤容限分析的一项重要内容，它可以通过干涉模型加以解决[5]。有两种干涉模型可供采用：一是剩余强度干涉模型，是由t下的裂纹尺寸分布导出裂纹尖端应力强度因子K的概率分布，由K分布与材料断裂韧度的分布进行干涉，即可确定对应的安全可靠度；二是裂纹扩展寿命干涉模型，在建立裂纹扩展寿命分析特性基础上，直接由裂纹尺寸分布与临界裂纹尺寸分布加以干涉来确定安全可靠度。

在对已设计定型及已投付使用的结构进行概率损伤容限评定时，通常可以在实际载荷谱下进行关键危险部位模拟试件的疲劳裂纹扩展试验，并取得（a，t）数据集。在这种情况下，裂纹形态已不是假定的，而是接近真实情况。以试验（a，t）数据集为基础，建立谱载下裂纹扩展随机模型，并以此为基础进行初始裂纹为定值或随机变量分布情况下的概率损伤容限分析，可以得到更为真实准确的结果。

3损伤容限/耐久性综合分析军机结构设计思想正朝着满足长寿命、高机动性、高可靠性、高出勤率、低维修成本的结构强度综合设计方向发展[6]。经过近几十年来的研究，飞机结构基于耐久性设计以确保使用(经济) 寿命，基于损伤容限设计以确保安全的可靠性设计体系在我国已经基本建立,并且应用于新研飞机的设计和现役飞机寿命的可靠性评定。但飞机结构单独采用耐久性设计或者单独采用损伤容限设计都有可能影响结构的最优化设计。并且随着对军用飞机要求的不断提高,飞机结构的设计思想必将朝着结构综合设计与分析方向发展。目前常用的耐久性分析方法或者损伤容限分析方法都不能同时对结构进行寿命、安全以及检修一体化的综合分析,显然已经不能满足结构优化设计的需要。因此在现有耐久性分析的概率断裂力学(PFMA) 方法和概率损伤容限分析模型基础上,综合研究裂纹的萌生和扩展的全过程,建立飞机结构的耐久性/ 损伤容限综合分析是今后飞机结构设计的主导方向。

损伤容限/耐久性综合分析模型由耐久性分析PFMA 方法和概率损伤容限分析方法结合而成，它包含了裂纹萌生和扩展的全过程,因此它可以对结构进行耐久性和损伤容限综合分析。具体分析步骤如下:

3.1　确定综合分析的对象和范围并建立结构细节群的原始疲劳质量（IFQ）

原始疲劳质量（IFQ）被定义为相对于一个构件、部件或飞机结构中在使用之前的初始缺陷而言，一个结构细节或多个细节的初始制造状态。一组相同细节的IFQ可以用当量初始缺陷尺寸（EIFS）分布表达。当量初始缺陷尺寸是一个假想的裂纹，它被假设存在于投入使用之前的一个细节中。对于无论什么形式的初始缺陷变成其尺寸为的疲劳裂纹所需的时间被定义为裂纹形成时间（TTCI）。

结构细节的IFQ 可用裂纹萌生时间(TTCI)和当量初始缺陷尺寸( EIFS) 表示。通常用综合处理不同应力水平所得到的通用EIFS 分布作为结构原始疲劳质量IFQ 的定量描述。TTCI累积分布可采用如下的三参数Weibull模型,它由结构细节模拟试件的（a，t）数据集确定。

　　　　（1）

式中：T＝TTCI，形状参数，尺度参数，TTCI的下界。

由TTCI 分布并通过裂纹扩展公式反推,可得该应力水平的EIFS 分布。综合至少3 种应力水平下EIFS分布,并通过参数优化就得到结构的通用EIFS 分布函数

当时，

当时，　　　　　（2）

式中：，裂纹扩展参数，与应力无关的参数，通用EIFS分布的形状参数，EIFS分布的上界。

3.2　依据允许的损伤度的要求,采用PFMA方法对结构进行耐久性分析,并预测结构修理前的经济寿命和总的经济寿命

对每个部件、构件等，将其结构细节按类型分组为m个区域，对每个区域中同组的各个细节或部位的最大应力可合理地假想是相等的。对每个应力区（即第i个应力区），可由裂纹增长速率表达式（3）从积分到，便可确定（4）式中的，即裂纹扩展控制曲线（SCGMC）

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