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% &;而塑性较差的高强度钢则 "就比较接近 &。这是因为对于塑性材料,当局部应力达到屈服极限时,这些局部区域将产生塑性变形,从而减轻了应力集中的危险性。
(’)尺寸效应。零件的尺寸对疲劳性能也有较大影响。一般地说,零件的疲劳性能随其尺寸的增大而降低。这种现象称为尺寸效应。材料的疲劳强度总是用小试件通过试验得到的,其疲劳强度值比实际使用大构件的疲劳强度值偏高。因此,用小试件的疲劳强度值进行大构件的设计时,必须考虑尺寸效应。
产生尺寸效应的因素可以从以下几方面考虑:
)尺寸不同,在相同的承力形式下,零件的应力梯度不同(如果最大应力值相同)。大尺寸零件的高应力区域大,从统计概率看,产生疲劳裂纹的概率就大。
()大尺寸零件中包含了更多可能产生疲劳裂纹的不利因素,例如材料不均匀性、内部缺陷、各向异性等。
’)加工零件时,表面会有一些硬化。大多数情况下,硬化可提高疲劳极限,对小试件这种影响更为显著。
())表面加工的影响。在循环载荷作用下,疲劳裂纹常发生在零构件的表面,这是因为在弯曲或扭转载荷下表面层的应力最高,而且在表面层的缺陷也往往最多。因此,表面的加工质量对疲劳性能有很大的影响。一般来说,表面粗糙度对疲劳性能的影响随表面粗糙度的降低而降低,即疲劳强度提高;反之,表面加工越粗糙,疲劳强度的降低就越严重。
(*)其他影响因素。温度是影响疲劳性能的另一重要因素。当材料在低于蠕变温度(例如,铝合金的蠕变温度为 (+*,)的高温下工作时,其高温对长寿命的影响是降低疲劳强度,并使材料的 -—.曲线不再存在水平的直线段了,即不再存在疲劳极限。这时要评价构件的疲劳性能就需要采用高温条件下的疲劳曲线了。
冷作硬化和残余应力对疲劳强度有相当大的影响。一般来说,零构件表面有一层均匀的残余压应力对疲劳强度是有利的。如果零构件表面的残余应力是拉应力,则会降低疲劳强度。
金属材料的热处理方法及工艺过程对材料的静强度及其他机械性能有明显影
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响,同样对材料的疲劳强度也会有明显影响。但是,究竟怎样的热处理方法对具体材料、具体形状和尺寸的构件更合适些,需要通过实践不断总结经验。
飞机结构在生产装配过程中,很多工艺因素会影响到结构的疲劳行为。例如,过度的强迫装配会影响到结构的疲劳性能,这一点应引起足够的重视。疲劳设计中常利用干涉配合、钉孔挤压强化等特殊工艺来提高结构的疲劳性能。
疲劳载荷的作用顺序对结构的寿命有较大的影响,特别是间断出现的少数大载荷对疲劳寿命有非常大的影响。大的拉伸载荷可以大大提高结构的疲劳强度,这是因为大的拉伸载荷可以在应力集中处产生残余的压应力,对此后的载荷循环系列在应力集中区域大大降低平均应力,从而提高结构的疲劳寿命。有时这种影响可以成倍地提高寿命。
噪音环境对结构的疲劳性能也有影响,喷气发动机以及气动噪声等将引起飞机结构的高频振动,这种噪音激励的疲劳载荷可能强度量级较小但作用次数极多,同样会产生结构的疲劳破坏,此即通常称谓的“声疲劳”问题。工程设计中的抗“声疲劳”措施,一是减少噪音源,二是增加结构的阻尼(如采用蜂窝夹层结构等)以控制循环交变应力在安全的幅值以内。
腐蚀环境对结构的疲劳性能也将产生重要的影响,循环交变载荷和腐蚀介质联合作用要比其中一个单独因素的作用更加有害,产生一个相互催化的作用,即腐蚀环境下会促进疲劳裂纹的发生与发展,而疲劳载荷也会有利于结构材料的腐蚀。严格说来,除了在真空和惰性介质中工作的构件外,所有的疲劳破坏都是腐蚀疲劳破坏,特别对铝合金,潮湿空气就是一种严重的腐蚀环境。
随着飞机结构寿命的延长,特别是和平时期,战斗机的停飞比大于 "以上,要保持飞机的日历年限寿命(一般大于 %年)就必须研究腐蚀环境对结构的破坏作用,解决好防腐设计问题。在实际工作环境下,飞机结构的腐蚀问题非常复杂,这一方面由于环境介质的复杂性,另一方面静力腐蚀(称应力腐蚀,飞机停歇时静应力与环境交互作用的腐蚀破坏问题)、腐蚀疲劳及其两者的复杂作用问题等,都是十分严峻的研究课题。特别是腐蚀环境下的加速实验问题尚未得到很好解决,腐蚀破坏的实验研究要花费很大的人力、财力和物力。腐蚀环境对受力结构(无论静力或疲劳载荷)的破坏作用涉及材料微、细观物理机制与电化学机制等。
三、安全寿命估算方法
&’设计使用载荷谱
疲劳破坏是一个损伤累积的结果,因此疲劳分析必须关心在整个使用过程中结构承受载荷随时间变化的历程— ——载荷谱。设计部门应根据使用方规定的设计使用寿命和设计使用方法编制设计使用载荷谱来进行安全寿命设计。在初步设计阶段,
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设计使用的载荷谱主要借鉴类似机种的实测数据进行编制;在没有可利用的实测数据时,可按规范给出的相关数据或利用飞行模拟器测试结果进行编制。我们先从飞机使用当中遇到的可能的疲劳载荷谈起。飞机使用过程中所遇到的各种重复载荷都应是飞机的疲劳载荷,一般主要有以下几种。
()突风载荷(阵风载荷)。是由于飞机在飞行中遇到垂直方向突风引起攻角改变,升力发生变化,从而结构上引起的重复载荷。这是运输机类飞机的主要疲劳载荷。
(")机动载荷。飞机作各种机动飞行,特别是高过载的机动操作时,会引起飞机承受的气动、惯性载荷发生频繁、剧烈的变化。这种重要且非规则的载荷变化称为机动载荷,是歼击 攻击型飞机最重要的疲劳载荷。
()地—空—地载荷。这是指从代数值最小的载荷(一般发生在地面)上升到最大代数值载荷(空中)再回到最小载荷时的重复载荷。这种载荷在一次起落中仅作用一次,是作用次数少但幅值较大的载荷。
(%)着陆撞击载荷。起落架着陆撞击地面,导致结构的动力响应,形成动态反复载荷。(&)地面滑行载荷。由于地面跑道的粗糙不平,飞机滑行时将由颠簸引起重复载荷。它还包括刹车、转弯、打地转、牵引和地面其他操纵所引起的载荷。(’)其他载荷:气密座舱增压和整体油箱增压载荷;尾翼抖振、操纵面运动、发动机噪音等也会产生疲劳载荷。各种疲劳载荷对各部分结构影响不同。如对气密座舱,主要考虑增压、突风和地—空—地载荷;而,
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