“飞机结构疲劳与断裂”课程建设的改革与探索

针对课程建设提出教学实验和实践创新改革、课程知识体系完善、基于航空特色实例教学的教学方式改革、基于软件仿真的课程设计改革四个方面的建议,为符合专业建设目标和人才培养方案,进一步深化课程改革,提高教学质量。

有限元分析在含锰金属蒙皮铆接结构疲劳断裂性能中的研究

随着计算机网络技术的迅速发展,有限元分析技术被广泛应用于铆接技术当中,在机械连接结构设计中起到了重要作用。为提高有限元分析法在求解含锰金属蒙皮铆接结构中断裂参数的精度,在有限元分析法中引入插值函数,推导出有限元分析模型,并对模型进行仿真验证。结果显示,受应力作用在x方向和y方向上分别产生0.02 mm和0.006 mm的位移,应力主要集中在铆钉与蒙皮的连接处,孔周会产生先下陷再上翘的内翘情况。上下壁板可承受最大应力SVM1和SVM2分别增加了63 MPa和61 MPa,在受到外加荷载的情况下裂纹会先出现在下壁板与铆钉结构的连接处。综合应力随着裂纹长度的增大而减小,起始应力值271 MPa为铆钉材料拉伸强度的83.4%,铆接结构疲劳断裂的扩展应力较小、铆钉材料综合起始应力较大。以上结果显示,基于有限元分析在含锰金属蒙皮铆接结构疲劳断裂性能中的研究,对铆接结构断裂研究领域具有一定的参考意义。

边缘连接结构对飞机座舱盖透明件拉伸及疲劳性能的影响

飞机座舱盖透明件所用材料以定向有机玻璃[聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)]、聚碳酸酯(PC)或者两者层合材料为主,而透明件与骨架的连接位置是飞机座舱盖结构中的薄弱区域,该区域作为保障座舱盖透明件密封性和完整性的关键组成部分,直接影响飞行员飞行安全。评估了单层PMMA和PMMA与PC层合结构透明件在软、硬边缘连接方式下的拉伸性能和疲劳性能,为不同边缘结构的使用寿命及可靠性评估提供数据支撑。研究梳理了单层有机玻璃透明件和层合结构透明件在轴向拉伸和疲劳测试过程中的断裂破坏、疲劳失效的原因及表现,并提出可能出现的缺陷对座舱盖透明件拉伸及疲劳性能的影响。结果表明,层合软连接、单层软连接、层合硬连接和单层硬连接结构试样的拉伸断裂应力分别为21.5,17.58,16.55,21.55 MPa,通过升降法得到的这4种连接结构的条件疲劳极限分别为10.15,10.52,8.01,9.77 MPa。综合实际应用中飞机座舱盖透明件轻质化和抗冲击性能要求,优选出层合软连接结构为四种状态下最佳的边缘连接结构。

基于断裂力学的抓斗卸船机钢结构疲劳寿命评估方法研究

为提高抓斗卸船机的作业效率,增加结构寿命评估结果的可信度,基于断裂力学角度,以抓斗卸船机为例,开展钢结构疲劳寿命评估方法的设计研究。引进FEA技术,建立抓斗卸船机本体钢结构模型,确定抓斗卸船机钢结构疲劳点;采用获取钢结构应力值的方式,采集钢结构应力值,进行机械作业中主要受力的集中分析;根据循环载荷下应力的最大、最小值,确定应力范围;结合材料的疲劳裂纹扩展参数,计算疲劳裂纹扩展速率与寿命。对比实验结果证明:该方法可以精准预测钢结构的疲劳寿命,控制评估结果误差在±0.1 a范围内。

基于有限元法对飞机蒙皮铆接结构的疲劳断裂行为研究

为研究蒙皮铆接结构的疲劳断裂行为,通过有限元软件ABAQUS对飞机蒙皮铆接搭接结构进行单向拉伸载荷受力分析,并在МУП-50俄制疲劳试验机上试验,对仿真结果加以验证,研究表明:试验件疲劳试验的破坏位置(危险部位)与疲劳仿真的结果吻合。研究结果可为飞机疲劳设计、维修检测和寿命评估提供参考。

往复荷载下钢结构节点的超低周疲劳断裂预测

进行了一个方钢管柱与H形钢梁直接焊接节点试件在往复荷载作用下的试验和有限元分析,采用已校准的微观断裂判据退化有效塑性应变模型(DSPS)和循环空穴扩张模型(CVGM)对其进行了超低周疲劳断裂预测,并对两个栓焊混接边柱节点试件进行了预测.预测结果与试验结果相比有较高的精确度.随后进行了损伤退化参数对断裂预测结果的敏感性分析,得出其取值对预测结果不敏感.因此,微观断裂判据对钢结构节点的超低周疲劳断裂预测有较好的适用性.

多轴疲劳寿命分析方法在飞机结构上的应用

针对飞机结构上常见的处于多轴应力应变(比例多轴)状态下的典型结构,采用3种多轴疲劳寿命分析模型,对该结构的疲劳危险部位进行疲劳寿命分析,并与单轴寿命分析方法的分析结果、疲劳试验结果进行了对比分析。首先对该结构进行细节有限元计算,确定结构的应力分布与应力水平,当载荷施加到88%的最大一级的峰值载荷时,疲劳危险部位的孔边即出现显著的塑性应变,因此,选用低周疲劳(LCF)寿命预测模型进行分析。选取的3种分析模型均是基于临界面的分析模型,分别是Wang-Shang模型、Smith-Watson-Topper(SWT)模型以及Morrow-Brown-Miller模型。为验证分析模型工程适用性,开展了该结构的多轴疲劳试验。与试验结果相比,3种分析模型的预测结果均偏大,其中Wang-Shang模型的预测结果最接近试验值,适用于本文这类结构;SWT模型和Morrow-Brown-Miller模型的预测结果误差相对较大。对于处于多轴载荷状态下的结构,应按照多轴疲劳寿命分析方法进行寿命预测,单轴疲劳寿命分析方法将给出过于危险的评定结果。

振动环境下飞机薄壁结构紧固件疲劳寿命研究

列举了飞机薄壁结构紧固件损伤失效故障的典型实例,简要分析了其失效特点与危害性。针对某型飞机机翼前缘襟翼单面连接结构紧固件松动、脱落的故障问题,提出了3种改进方案,并采用拉-拉疲劳试验与振动疲劳试验方法对改进前后的紧固件进行了对比试验。为模拟紧固件在振动疲劳载荷作用下的失效模式与失效过程,研制出了冲击振动试验台;初步建立了飞机结构紧固件振动疲劳试验方法。结果表明,在振动疲劳载荷与传统疲劳载荷作用下飞机结构紧固件的失效模式、损伤机理及寿命分布规律有显著差别。依据试验结果,给出了某型飞机机翼前缘襟翼单面连接结构改进的首选和备选方案。

结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命Ni和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.

危岩主控结构面疲劳断裂寿命计算方法

危岩的破坏机理和安全性受控于危岩主控结构面.通过计算危岩主控结构面在自重、裂隙水压力及地震力作用下的Ⅰ型及Ⅱ型应力强度因子,建立了主控结构面临界长度计算方法;把主控结构面内的裂隙水压力视作交变荷载,通过计算其对主控结构面应力强度因子的贡献,遵循P-M准则运用Paris疲劳方程建立了处于临界状态条件下主控结构面的疲劳断裂寿命计算方法,并通过疲劳断裂试验确定了三峡库区万州地区典型长石石英砂岩的疲劳系数C值和m值.

军用飞机结构疲劳寿命研究

简述飞机结构疲劳问题的重要性,特别结合军用标准规范对飞机结构疲劳设计要求的变化勾画飞机结构疲劳设计思想演变的情况;着重论述工程实际中常用的疲劳寿命分析方法,论述全尺寸结构疲劳试验的作用意义、试验载荷谱、试验实施的有关环节,概要介绍在飞机构件寿命分析与全尺寸结构疲劳试验方面所做的一部分研究工作,并就疲劳研究的发展提出一些粗浅看法。

海洋环境下飞机结构腐蚀疲劳研究现状

介绍了海洋环境下飞机结构腐蚀及腐蚀疲劳的国内外研究现状,重点阐述了服役环境编谱技术、加速腐蚀试验研究、腐蚀防护体系有效性验证、腐蚀损伤评估及疲劳寿命预估技术等几个关键技术问题,并预测了发展趋势。

飞机结构疲劳寿命分散系数研究

飞机结构疲劳寿命分散系数是飞机疲劳寿命评定工作中的一个重要可靠性指标。目前,我国飞机定寿工作中采用全机疲劳试验总试验小时除以疲劳寿命分散系数得出机群安全寿命的结论。通常,在不考虑机群服役环境差异而导致的环境分散系数时,所选取的疲劳寿命分散系数主要考虑两部分,一是机群使用载荷差异导致的载荷分散系数,二是结构材料与制造质量差异导致的结构分散系数。介绍分析了服从对数正态分布与威布尔分布时飞机结构疲劳寿命分散系数的表达形式;对于同型飞机结构疲劳寿命在不同载荷谱下服从对数正态分布的情况,推导了疲劳寿命分散系数可用载荷分散系数与结构分散系数乘积表示的条件;对于同型飞机结构疲劳寿命在不同载荷谱下不服从同一分布的情况,通过等损伤原理可以将服役飞机实际飞行小时数折算到同一试验载荷谱条件下的当量飞行小时数,计算同一试验载荷谱下的结构分散系数,以此作为疲劳寿命分散系数求得的飞机结构安全寿命可作为单机寿命管理的基准寿命值。

30CrMnSi2A钢飞机主梁疲劳断裂分析

用扫描电镜观察了某型飞机机翼主梁的疲劳断口 ,用疲劳条带估算了裂纹扩展寿命 ,并用 Zheng- Hirt公式估算出裂纹尖端应力强度因子范围 ,估算结果与实验测定值十分接近 ,从而为研究老龄飞机的使用寿命 。

花萼状涡流传感器及其飞机金属结构疲劳损伤监测试验研究

飞机金属结构疲劳损伤的实时在线监测,对于保证飞行安全是极其重要的。在文献[13]的基础之上,提出一种花萼状涡流传感器,并搭建基于该传感器的疲劳裂纹监测系统,进行程序载荷谱下的2A12-T4铝合金拉伸疲劳试验件的疲劳损伤在线监测试验,通过对比传感器监测结果和疲劳裂纹断口定量分析结果,对传感器的疲劳裂纹定量监测能力进行验证。监测试验结果与试件断口定量分析对比结果表明,在试件疲劳裂纹扩展过程中,传感器的各感应线圈通道的幅值比信号的变化较为明显,同时具有阶跃特征,当裂纹从一个感应线圈通道位置扩展至其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号会急剧增加,而当裂纹穿出其相邻通道位置时,该感应线圈通道的幅值比信号增加速度显著减缓;根据阶跃特性,将各感应线圈通道的幅值比信号开始快速增加的'拐点'作为裂纹前缘进入相应感应线圈通道的特征,花萼状涡流传感器可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;离疲劳源较近的感应线圈通道的幅值比信号可定性监测结构的疲劳累积损伤程度。

飞机结构疲劳/耐久性安全寿命延寿方法

针对目前飞机结构延寿工作中存在的问题,提出了一种飞机结构疲劳/耐久性安全寿命的延长方法——当量延寿法。阐明了当量延寿法的基本原理:将同种型号的机队飞机结构的试验数据和服役使用数据都当量为同一载荷环境下的当量使用数据,对当量使用数据进行数据融合及可靠性综合分析,进一步释放可靠性潜力,从而重新评定并延长机群飞机结构的疲劳/耐久性安全寿命(亦即放宽疲劳安全寿命的使用限制)。并在此基础上阐述了当量延寿法的基本流程。根据当量延寿法的基本原理和流程可在原新机给定的使用寿命指标的基础上重新确定并逐步延长同种型号的机群飞机结构的疲劳/耐久性安全寿命,放宽服役机群飞机的服役使用寿命限制。当量延寿法可为现役同种型号飞机的延寿工作提供理论基础。

飞机结构疲劳试验载荷的优化设计

提出用对载荷误差求极值的方法实现最小误差控制的试验载荷计算 ,并通过精度加权系数综合控制误差的合理分配 ,完成试验载荷的优化设计。该方法已经应用于某型飞机疲劳试验的试验载荷计算 ,为该机全尺寸疲劳试验的成功奠定了基础。

飞机谱载下铝合金锪窝孔结构腐蚀疲劳研究

通过战斗机谱载下7475-T761铝合金紧固孔试件空气与3.5％NaCl环境中的疲劳试验和断口分析,得到了相应结构疲劳全寿命和孔边角裂纹的裂纹长度-寿命数据.通过三维有限元分析得到了孔边角裂纹的应力强度因子.采用我们新近发展的三维疲劳寿命分析软件,基于材料裂纹扩展基准曲线和一组直通孔实验数据,对锪窝孔结构角裂纹的疲劳和腐蚀疲劳扩展寿命进行了预测.结果表明,提出的基于三维断裂力学的寿命预测方法和软件对复杂结构的全寿命有精确的预测能力,比传统的局部应变法优越,可适用于复杂环境下三维结构的疲劳寿命分析.

飞机结构疲劳试验系统的研制及其发展动向

根据作者参与飞机结构疲劳试验系统研制的实践,简述了飞机结构试验的目的意义及国内外发展的概况,并对该设备在研制中存在的技术难点的解决途径进行了论述。