《飛機疲勞強度計算》PPT課件

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1、飛 機 強 度 計 算 方 法飛 機 結 構 疲 勞 強 度 計 算 1979年 ， 一 架 美 國 的 “ DC-10” 大 型 客 機 在 芝 加 哥 奧 黑爾 國 際 機 場 起 飛 不 久 就 墜 毀 。 1985年 8月 ， 日 航 的 一 架 5ALl23客 機 ， 由 于 后 部 壓 力 隔板 的 開 裂 而 墜 毀 。 2002年 5月 ， 臺 灣 中 華 航 空 公 司 一 架 波 音 747客 機 在 臺灣 海 峽 貶 空 突 然 解 體 ， 造 成 225人 遇 難 。 事 后 的 調 查 結 果 顯 示 ， 上 述 的 機 毀 人 亡 事 故 均 是 由 飛 機結 構

2、的 疲 勞 破 壞 引 起 的 。 飛 機 的 疲 勞 、 腐 蝕 和 磨 損 是 引 起 飛 機 事 故 的 3種 主 要 模式 。 據(jù) 國 外 資 料 統(tǒng) 計 ， 飛 機 由 結 構 引 發(fā) 的 故 障 ， 80%以 上 是由 疲 勞 失 效 引 起 的 。 飛 機 疲 勞 壽 命 主 要 取 決 于 兩 個 方 面 因 素 ：一 方 面 是 飛 機 自 身 的 內 部 因 素 ， 即 飛 機 結 構 的 疲 勞 設 計 、 材料 和 加 工 質 量 等 ； 另 一 方 面 是 飛 機 的 外 部 因 素 ， 即 飛 機 的 實際 使 用 載 荷 。 2 飛 機 結 構 疲 勞 強 度 計

3、 算疲 勞 設 計 的 概 念 在 交 變 載 荷 作 用 下 ， 即 使 應 力 水 平 較 低 ， 處 于 彈 性 范圍 內 ， 經 過 若 干 次 循 環(huán) 后 ， 也 會 發(fā) 生 斷 裂 ， 稱 為 疲 勞 。 交 變 載 荷 ， 是 指 隨 時 間 變 化 的 載 荷 ， 載 荷 可 以 是 力 、應 力 、 應 變 、 位 移 等 。安 全 壽 命 是 指 結 構 構 件 發(fā) 生 宏 觀 可 見 裂 紋 時 的 飛 機 使 用 期 限 . 疲 勞 破 壞 的 一 般 特 征 構 件 交 變 應 力 遠 小 于 材 料 的 靜 強 度 極 限 ， 破 壞 發(fā) 生 。 疲 勞 破 壞 在

4、 宏 觀 上 無 明 顯 塑 性 變 形 ， 低 應 力 脆 斷 。 疲 勞 破 壞 是 一 個 累 積 的 過 程 ， 即 裂 紋 形 成 、 擴 展 、 斷 裂 。 疲 勞 破 壞 常 具 有 局 部 性 質 ， 因 此 改 變 局 部 設 計 就 可 以 延 長結 構 壽 命 。 疲 勞 斷 口 在 宏 觀 和 微 觀 上 均 具 有 特 征 ， 可 以 借 助 斷 口 分 析判 斷 是 否 屬 于 疲 勞 破 壞 。 斷 裂 機 理 目 的 ： 尋 找 產 生 裂 紋 的 原 因 及 制 定 飛 機 結 構 合 理 的 疲 勞 設 計 和 維 修 方 案 的 重 要 依 據(jù) 。分 為

5、疲 勞 源 擴 展 區(qū) 瞬 斷 區(qū) 。 疲 勞 斷 口 （ a） （ b） （ c） （ a） 疲 勞 斷 口 宏 觀 形 貌 （ b） 疲 勞 斷 口 示 意 圖 （ c） 疲 勞 條 紋 的 微 觀 圖 象疲 勞 源 疲 勞 裂 紋 擴 展 區(qū) “貝 紋 ” 狀 花 樣 瞬 時 斷 裂 區(qū) 疲 勞 強 度1、 交 變 應 力 定 義 ： 平 均 應 力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 應 力 幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 應 力 變 程 DS=Smax-Smin (3) 應 力 比 或 循 環(huán) 特 性 參 數(shù) R=Smin/Smax (1)式 二 端 除 以 Sm

6、ax， 有 Sm=(1+R)/2Smax (4) (2)式 二 端 除 以 Smax， 有 Sa=(1-R)/2Smax (5) (5)式 除 以 (4)式 ， 有 Sa=(1-R)/(1+R)Sm (6)S max、 Smin、 Sm 、 Sa、 DS、 R等 量 中 ，只 要 已 知 二 個 ， 即 可 導 出 其 余 各 量 。 0S tR= -1對 稱 循 環(huán)Smax=-Smin 0S tR=1靜 載Smax=Smin0S tR=0脈 沖 循 環(huán)Smin=0應 力 比 R反 映 了 載 荷 的 循 環(huán) 特 性 。 如 2、 S-N曲 線 利 用 若 干 個標 準 件 在 一 定 的平

7、均 應 力 下 ， 不同 的 應 力 幅 值 下進 行 疲 勞 試 驗 ，測 出 斷 裂 時 的 循環(huán) 次 數(shù) N， 然 后根 據(jù) 數(shù) 據(jù) 的 平 均值 繪 出 S N曲 線 ，這 樣 得 到 的 S N曲 線 是 指 存 活 率為 50 的 中 值 S N曲 線 。不 加 說 明 均 指 在 R -1 時 的 S N曲 線 。 S N曲 線 可 以 分為 三 段 ， 即 低 循 環(huán)疲 勞 區(qū) LCF、 高 循環(huán) 疲 勞 區(qū) HCF、 亞疲 勞 極 限 區(qū) SF。低 周 疲 勞 （ 應 變 疲 勞 ） 最 大 循 環(huán) 應 力 大 于 屈 服 應 力 ， 材 料 屈 服 后 應 變 變 化 較

8、大 ，用 應 變 作 為 疲 勞 控 制 參 量 。高 周 疲 勞 （ 應 力 疲 勞 ） 最 大 循 環(huán) 應 力 小 于 屈 服 應 力 。 主 要 研 究 內 容 ！疲 勞 極 限 （ 不 加 說 明 均 指 在 R -1時 的 疲 勞 極 限 ） 在 一 定 循 環(huán) 特 征 下 ， 材 料 可 以 承 受 無 限 次 應 力 循 環(huán) 而 不 發(fā)生 破 壞 的 最 大 應 力 稱 為 在 這 一 循 環(huán) 特 征 下 的 疲 勞 極 限 。 3、 S-N曲 線 的 數(shù) 學 表 達 由 于 疲 勞 試 驗 繪 制 S N曲 線 是 一 件 耗 費 很 大 的 工作 。 因 此 ， 人 們 就

9、尋 找 S N曲 線 規(guī) 律 。1、 冪 函 數(shù) 式 mNS C取 對 數(shù) lg lglg C NS m m 2、 指 數(shù) 式 mSNe C取 對 數(shù) lg lglg lgC NS m e m e 不 加 說 明 均 指 在 R -1時 的 S N曲 線 。 4、 不 同 特 征 值 下 的 疲 勞 強 度 （ 平 均 應 力 的 影 響 ）討 論 R的 影 響 就 是 討 論 平 均 應 力 的 影 響 。(1 ) /(1 )m aS R S R 當 Sa給 定 時 ， R增 大 ， Sm也 增 大 。 當 Sm0時 ， 即 拉 伸 平 均 應 力 作用 下 時 ， S N曲 線 下 移 ，

10、 表 示 同 樣應 力 幅 作 用 下 壽 命 下 降 ， 對 疲 勞 有不 利 的 影 響 ； 當 S m108 可 忽 略 不 及求 得 3 31 2.295 10ii inN 即 為 每 次 飛 行 的 損 傷在 該 零 件 破 壞 前 能 飛 行 的 次 數(shù) 為 L，則 32.295 10 1L 得 L 436次 得 L 436/3 145次 Miner理 論 的 優(yōu) 缺 點缺 點 ： 沒 有 考 慮 各 級 載 荷 的 相 互 影 響 （ 加 載 順 序 ） ； 沒 有 考 慮 低 于 疲 勞 極 限 的 應 力 所 造 成 的 損 傷 ； 沒 有 考 慮 硬 化 、 殘 余 應 力

11、 等 因 素 的 影 響 。優(yōu) 點 ： 簡 單 明 了 ， 使 用 方 便 。因 此 ， 往 往 采 用 以 下 兩 種 方 法 解 決 。 1m ii in DN ( )( )i i BA B i i An NN N n N 飛 機 結 構 疲 勞 壽 命 估 算 方 法名 義 應 力 法 計 算 疲 勞 載 荷 譜 ； 確 定 危 險 部 位 ； 獲 得 對 應 于 應 力 譜 的 S N曲 線 ； 運 用 累 積 損 傷 理 論 進 行 壽 命 估 算 。 iind N p TL K Df 1m ii in DN 應 力 嚴 重 系 數(shù) 法 該 方 法 主 要 用 于 連 接 件 的 疲

12、 勞 壽 命 估 算孔 邊 最 大 應 力 為 max tg tbP PK KWt dt D 嚴 重 系 數(shù) tg tbret P PSSF K KWt dt D tg tbret P PSSF K KWt dt D Ktg為 基 于 凈 面 積 的 空 孔 板 的 理 論 應 力 集 中 系 數(shù) ；Ktb為 擠 壓 應 力 引 起 的 應 力 集 中 系 數(shù) ； 為 擠 壓 應 力 分 布 系 數(shù) ；為 孔 表 面 質 量 系 數(shù) ；為 孔 充 填 系 數(shù) 。 ( )ret PW d t tg tbret P PSSF K KWt dt D 級 數(shù) 最 大 載 荷Pmax/kg 最 小 載

13、荷Pmin/kg 載 荷 幅 值Pa/kg 載 荷 均 值Pm/kg 循 環(huán) 次 數(shù)n1 5904 2932 1486 4418 39002 6354 450 1936 4418 8803 6655 751 2237 4418 3304 7256 1452 2838 4418 1405 7691 1787 3273 4418 66 6 7962 2058 3544 4418 447 6594 -2626 4610 1984 9008 7825 -2655 5240 2585 1809 6594 -2626 4610 1984 90010 8962 2058 3544 4418 4411 769

14、1 1787 3273 4418 6612 7256 1452 2838 4418 140 13 6655 751 2237 4418 33014 6354 450 1936 4418 88015 5904 2932 1486 4418 3900 S mN 0.00 3.500 7.00 10.50 14.00 17.50 21.00 25.00 30.00102 25.84 23.98 22.12 20.50 18.89 17.15 15.41 12.94 9.8610 3 18.40 16.74 15.08 13.77 12.47 11.42 10.37 8.71 6.63104 13.3

15、0 12.06 10.83 9.90 8.97 8.33 7.69 6.46 4.922104 11.90 10.79 9.68 8.82 7.95 7.41 6.88 5.78 4.40410 4 10.72 9.68 8.65 7.82 6.99 6.55 6.11 5.13 3.91105 8.99 7.96 6.93 6.21 5.49 5.21 4.92 4.14 3.154105 7.17 6.03 4.90 4.27 3.65 3.45 3.25 2.73 2.08106 6.54 5.44 4.33 3.63 2.93 2.75 2.56 2.15 1.643106 5.23

16、4.35 3.46 2.86 2.26 2.09 1.92 1.61 1.2310 7 4.72 3.81 2.90 2.38 1.87 1.73 1.58 1.33 1.01 LY12-CZ鋁 合 金 KT=3.7418的 S-N曲 線 （ 單 位 ： Kg/mm2） 級 數(shù) Sa/kgmm-2 Sm/kgmm-2 循 環(huán) 次 數(shù) ni 壽 命 Ni 損 傷 Di1 3.753 11.157 3900 702964 0.0055482 4.889 11.157 880 235430 0.0037383 5.649 11.157 330 135936 0.0024284 7.167 11.15

17、7 140 53303 0.0026275 8.265 11.157 66 26251 0.0025146 8.949 11.157 44 16499 0.0026677 11.641 5.010 900 9438 0.095359 8 13.232 6.528 180 3023 0.0595449 11.641 5.010 900 9438 0.09535910 8.949 11.157 44 16499 0.00266711 8.265 11.157 66 26251 0.00251412 7.167 11.157 140 53303 0.00262713 5.649 11.157 330

18、 135936 0.00242814 4.889 11.157 880 235430 0.00373815 3.753 11.157 3900 702964 0.0055483.457塊 譜 相 當 于 6913次 飛 行 。 該 試驗 件 進 行 了 疲 勞 試 驗 ， 5個 試 驗 件 的疲 勞 試 驗 結 果 的 平 均 值 為 8421次 飛 行 。 算 例 1、 飛 機 上 一 塊 2024T4鋁 合 金 薄 板 。 由 于 振 動 而 受 應 力幅 Sa為 200 MPa的 對 稱 循 環(huán) 載 荷 。 如 果 振 動 頻 率 為 200周 min， 試 根 據(jù) 下 圖 估 計 這 快 薄 板 可 能 的 平 均 使 用 壽 命 。 2 1025鋼 制 零 件 ， 要 求 壽 命 為 500 000循 環(huán) ， 如 果 這 個 構件 承 受 100MPa的 對 稱 循 環(huán) 交 變 變 應 力 ， 確 定 其 可 以 達 到 的安 全 系 數(shù) 。算 例 3 如 果 己 知 某 種 軍 械 中 一 種 以 T-1鋼 制 成 的 零 件 ， 其 計算 壽 命 為 600 000循 環(huán) 。 確 定 當 安 全 系 數(shù) 為 1.25時 該 零 件的 合 適 的 工 作 應 力 。算 例