飞机检测与维修实用手册 1(46)

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以上所述安全寿命设计虽然有较大的可靠性，但因一般工程的实际结构不可避免存在缺陷，如划伤、焊接缺陷、夹砂等，因此即使以工作应力小于疲劳极限来设计，也不能保证其寿命是无限的。也就是说，疲劳设计不能确保绝对安全，实际上真正的无裂纹寿命比例较小。为此，应重视裂纹扩展寿命即损伤容限设计，也即飞机结构的使用寿命应由裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分组成。
第三节 损伤容限设计
一、概述
飞机结构损伤容限设计技术是在总结以往的飞机设计经验和断裂力学这一新兴学科的建立、发展基础上，以设计规范形式确定下来的一种新的设计方法。
断裂力学是从零、构件中存在宏观裂纹这一观点出发，利用线弹性断裂力学或弹塑性断裂力学的分析方法，对裂纹问题进行理论分析和实验研究的一门学科，其主要研究内容包括：在交变载荷作用下裂纹的发展规律；剩余强度与裂纹尺寸的关系；结构寿命与初始缺陷的关系；以及检查裂纹的周期等。
损伤容限设计方法，是对传统设计方法的补充和发展，是比较安全、合理和经济的方法。它包括以下设计、分析、试验和使用四个方面十大问题。 设计： "设计规范与设计要求； 结构分类与设计概念； 结构材料的选择。 %分析： &严重部位的识别； ’载荷和应力谱的分析； (初始品质的分析； )裂纹扩展分析； *剩余强度分析。 +试验： ,损伤容限与耐久性分析。 -使用： .无损检验和裂纹跟踪。
我国现行设计规范规定，为了使因漏检缺陷或损伤所引起的结构破坏概率减至最小，对危及飞机机体安全的主要结构，应采用损伤容限设计；损伤容限设计的结构应是破损安全结构、安全裂纹扩展结构，或者这两种结构类型的组合；为了评定结构的裂纹扩展特性和剩余强度特性，应进行损伤容限试验与损伤容限分析。同时规定，近期内主要把安全寿命设计作为飞机满足设计使用寿命和可靠性要求的基本方法。鉴于目前我国损伤容限设计尚在研究之中，应用面较小，本节仅对损伤容限设计方法中设计方面的基本问题作一简要介绍。
二、几个名词解释
"损伤容限
结构在规定的未修使用周期内，抵抗由缺陷、裂纹或其他损伤而导致破坏的能力。具体地说，损伤容限就是允许结构存在缺陷和其他损伤，但要将这些缺陷或损伤限制在一定的范围内，并保证这些缺陷在下次检查之前不会扩展到使飞机出现灾难
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性事故。 "耐久性结构在规定时间期限内，抵抗开裂、腐蚀、脱层、磨损和外界损伤的能力。 "经济寿命是执行耐久性试验计划的结果所表示的工作寿命。当被试验结构出现遍布损
伤，要修理，不经济；不修理，又影响使用功能时，则认为已达到经济寿命。 "裂纹扩展寿命在设计应力谱作用下，由初始裂纹 %&扩展到临界裂纹 %’(时所得的寿命。 )"剩余强度含裂纹结构的承载能力称为该结构的剩余强度。显然，剩余强度随着裂纹尺寸
的增加而降低。
*"损伤容限载荷飞机在有损伤存在，并在未修使用的规定最小周期中，不危及飞行安全和降低飞
机性能必须能承受的载荷。 +"初始缺陷假定装配后飞机结构预存的缺陷尺寸，刚小于无损检测的最大不可检缺陷尺寸。
它的大小和特征受无损检测能力制约，无损检测能为提高了，初始裂纹尺寸 %&就可定得小些。从裂纹扩展曲线（见图 , -. -）可看出，小尺寸裂纹阶段裂纹扩展较慢，较小的初始裂纹尺寸差别将引起裂纹扩展寿命的较大变化。因此，合理确定 %&之值十分重要。
/"检查间隔
确保安全并由可检查度类别确定的两次检查之间的时间间隔。
."结构的可检查度
是飞机结构可检性的度量。可分为以下 *种。

（,）飞行明显可检：指飞行中出现的损伤的性质和大小可使飞行人员立即且无误地意识到飞机已有重大损伤，不应继续执行飞行任务。（）地面明显可检：指损伤的性质和大小，无需特殊检查，即能使地勤人员迅速无误地明显觉察。（）巡回可检：指损伤的性质和大小不会被结构目检人员漏检。目检人员的检查通常应不用特殊工具，不需移开检查口盖，对结构外表进行的目检。（）特殊目测可检：指损伤的性质和大小在详细目检人员打开口盖舱门，使用简单助视器（镜子、放大镜）的情况下不会被漏检。（)）场站或基地水平可检：指损伤的性质和大小能用一种或多种选定的检验方法来检测。此种检查方法可包括渗入剂、 0射线、超声波等无损检测技术；被检结构的 •,•
 
可达性可包括拆卸为此而设计的部件。（）使用中不可检：当损伤尺寸和可达性在一次或多次上述检查中不可能被察觉，则结构为使用中不可检。
三、损伤容限设计的目标
承认结构中存在着一定程度的未被发现的初始缺陷、裂纹或其他损伤，然后通过损伤容限特性分析与试验，对可检结构给出检修周期，对不可检结构给出最大允许初始损伤，以保证结构在给定的使用寿命期限内，不至于因未被发现的初始缺陷、裂纹或其它损伤扩展而出现灾难性事故。其设计目标是：将飞机结构设计成在设计使用载荷 "环境谱作用下，在给定的设计使用寿命期限内具有高可靠性。就是说，要使因漏检缺陷或损伤引起的结构破坏概率减至最小。
四、损伤容限设计的主要步骤
（）确定主要结构需进行断裂控制的关键部位和零构件。
（）建立载荷谱。
（%）兼顾静、动强度和疲劳特性，选择抗断裂性能好的材料。
（&）对结构进行分类。
（’）根据损伤容限设计规范要求确定假设的初始缺陷尺寸。
（）确定危险部位的临界裂纹尺寸、剩余强度、裂纹扩展速率和裂纹扩展寿命，并进行必要的试验验证。（(）给出检修周期或允许的最大初始损伤。
五、损伤容限设计中几个主要问题的分析
)结构材料的选择
应根据零、构件所处部位、使用环境、受力特点、寿命要求等因素，综合考虑进行选材。对所选材料主要应满足以下要求：（）满足静强度、刚度要求。（）抗断裂性能好。指材质本身初始裂纹和初始缺陷尺寸足够小、韧度大、裂纹
扩展速率小、临界裂纹尺寸较长、在应力腐蚀条件下的抗断裂性好等。上述性能还与工艺，如加工方法、热处理、表面处理方法等有关，与使用环境也有关。
　
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