飛機結構強度設計研究

張偉 周帆 楊建江

摘 要：飛機結構是一個復雜的系統工程，如何將機械產品在使用周期內安全服役，滿足設計使用要求，一定時間范圍內發揮其功能，引入強度設計技術顯得更為重要。本文研究了強度設計技術在飛機結構件產品設計中的應用。

關鍵詞：飛機結構 強度 設計

中圖分類號：V215 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0096-02飛機結構強度是指在規定的力學環境下飛機結構不會發生破壞和保持安全工作的能力。在飛機設計過程中，為了提高飛機的整體機構強度，設計人員需要針對不同的載荷環境以及不同的結構動態響應分類解決結構強度問題。目前，飛機結構強度研究領域主要包括靜強度、動強度與氣動彈性不穩定性、疲勞/斷裂和損傷容限等。就我國現有情況，強度設計技術在使用深度和應用效果方面遠未達到應有的程度。強度優化設計技術是一種具有可以人為控制、無破壞性、允許多次重復修改、不受外界條件限制等優點的綜合性試驗技術，能夠較大提升產品研發效率和質量，節約科研經費，節約試驗費用，同時縮短產品研制周期。本文就飛機結構強度涉及的強度問題分別做詳細探討。

1 靜強度

在飛機設計領域，靜強度是指飛機結構在一定條件下承受最大靜載荷而不發生破壞且能安全使用的能力。其中，最大靜載荷是指飛機在允許的地面和飛行使用中能產生的最大和最嚴酷的疊加載荷：極限載荷是指限制載荷乘以不確定系數，以極限載荷作為設計依據，在使用過程中即使結構發生破壞，破壞風險也可降低到可接受的水平；破壞載荷是指在給定的載荷工況下，飛機結構發生總體破壞時的載荷。

1.1 靜強度分析

靜強度分析主要包括應力分析、應變分析、變形分析及靜力穩定性分析，并進而對強度、剛度和穩定性要求進行校核。一般認為載荷是以極其緩慢的速率作用到受力體上，且不考慮載荷的往復循環作用，不考慮材料的動態性能，結構沒有動態響應，對結構的慣性力同樣進行靜載荷處理。

1.2 靜力穩定性

靜力穩定性是指結構在小于臨界靜載荷的載荷作用下處于平衡狀態，當受到微小載荷擾動時，在擾動載荷消失后仍可恢復原有的變形而不繼續擴大，保持原有的穩定平衡狀態。當結構承受臨界靜載荷時，如果給予一個小的載荷擾動，會使變形增加很大，使整個結構失去穩定性，結構的承載能力顯著下降甚至完全失去承載能力。

2 動強度與氣動彈性不穩定性

動強度是指結構在動態載荷和動力環境下，承受振動和沖擊而不破壞并保持安全工作的能力。飛機飛行過程中的動載荷和動力環境比較復雜，具有不確定性，主要包括如下方面。

2.1 振動的動載荷

振動的動載荷有兩種：突風和晃振。突風，指在2～3km高度以下，法向和側向的突風在引起結構附加載荷的同時會引起引起結構的振動抖振，飛機在急劇機動飛行時，一個部件上自身氣流發生分離而產生自身的強迫振動，或由此分離氣流引起另一個部件產生強迫振動?；握?，在機動飛行、油箱充壓及燃油晃動下，引起脈動壓力產生結構振動。此外還有如發動機、螺旋槳本身是機體重要的振動源，機載設備和系統中的電機、泵、液壓機等振動源引起的振動。

2.2 沖擊的動載荷

主要有兩類：第一類，離散源撞擊，主要包括如飛鳥撞擊、發動機碎片、地面碎石、冰雹、彈片等的撞擊。第二類來自武器發射器或貨物投放，航空器著陸（或著水、著艦）、滑行和地面機動等沖擊載荷，上述動載荷和動力環境通過結構及相關系統固有的動力學特性產生的過大產會導致結構破壞或發生動態疲勞損傷，影響結構的強度；還會導致機載設備、系統發生功能失效或損壞，嚴重影響飛機的安全。

2.3 氣動彈性不穩定性

空氣動力與彈性結構（如飛機、航空器）相互作用引起結構的變形或振動，當空氣動力能量超過結構變形的能量，使變形不斷加大或空氣動力能量超過結構與空氣動力阻尼耗散的能量使振動不斷加劇，氣動彈性就從穩定到進入不穩定狀態。氣動彈性可分為靜氣動彈性、動氣動彈性、氣動伺服彈性和熱氣動彈性。

2.4 疲勞斷裂

疲勞斷裂包括裂紋形成階段和裂紋擴展階段，結構本身飛機在重復載荷、載荷環境變化作用下，由微小缺陷擴展形成微裂紋，隨著載荷不斷作用，最后形成疲勞裂紋甚至破壞。隨著飛行次數不斷增加，裂紋的繼續擴展使承載能力逐步下降，直到進入快速裂紋擴展達到臨界裂紋時發生斷裂破壞，使整個結構喪失承載能力。裂紋形成壽命通常是指將裂紋達到可檢尺寸之前的壽命，而裂紋擴展壽命是指裂紋從可檢裂紋尺寸開始到斷裂的壽命。

裂紋出現和擴展的主要原因是結構受到重復載荷造成的，重復載荷源很多，主要有地面發動機開車、牽引滑行、著陸、著艦、彈射起飛、機動飛行和突風、操縱系統工作、座艙增壓、抖振和地形跟蹤飛行等。重復載荷較為復雜，通常我們用載荷譜來計算重復載荷情況。載荷譜，是指結構所承受的載荷隨時間變化的歷程，通常由各種載荷大小、分布及相應的頻率按出現先后次序排列而成或由隨機載荷過程的統計特性來表示。在疲勞設計或試驗時，通常根據疲勞損傷等效原則將實際載荷譜簡化成便于表達的簡單載荷譜。載荷譜的種類也很多，常見的載荷譜有：等幅譜、程序塊譜、隨機譜、飛續飛譜等。

3 強度設計的作用

3.1 讓數字化設計成為可能

強度產品設計是一個迭代完善的過程，尤其對于飛機、懸掛發射裝置、導彈等集各種先進科技成果于一體的產品，設計結果都需要進行反復多次的地面試驗，才能驗證設計結果能否符合要求。在引入強度設計獲得大規模應用之前，大部分試驗都是依靠產品樣機進行的，不僅成本高昂，而且試驗一旦失敗，對后續設計將會產生極大影響，無形之中增加研制成本，研制周期也得不到保證。隨著強度設計技術應用到產品設計環節，推動設計向數字化模式轉變，這個問題終于得到了解決。

3.2 降低設計成本

20世紀90年代，數字化設計與驗證理論引入到機械產品設計中。數字化驗證是通過對產品的零部件進行統一的數字化建模和仿真，用虛擬現實技術，在設計過程中實現產品結構的靜強度技術設計、動強度技術設計、氣動載荷仿真等，能及時發現結構設計缺陷，以此提高制造質量，具有快速響應、充分利用資源、超越空間約束等特點。對于航空懸掛發射裝置領域的產品而言，產品外形、布局設計都與性能指標密切相關，在設計過程中如果能及時發現缺陷，進行設計優化，就能大幅降低研制成本，避免走彎路。

3.3 快速準確定位故障原因

機載武器裝備是飛機的重要組成部分，直接決定其戰斗能力。在嚴酷的試驗過程中，經常會出現振動裂紋、沖擊破壞、靜力變形過大等諸多問題，這些故障的出現只靠工程師經驗或者試驗很難發現其根本原因。飛機裝備制造是一個國家高精尖技術的集中體現，在飛機飛行過程中，及時對裝備進行裝備預示和診斷，在數以萬計的高精密零部件中進行精確定位，準確預估故障級別，以便進行運行時故障排除或地面維修淮備。利用計算機強度分析技術，引入強度分析后，能夠快速還原故障現象，準確定位故障原因，快速排除故障，是保持戰斗力的重要保證。

4 結語

在國際軍事實力競爭越來越激烈的今天，強度設計技術引入飛機設計中勢必會減少設計成本，降低研制費用，提高飛機的整體作戰性能。隨著計算機技術快速發展，飛機結構件機械產品強度設計越來越為重要地擺在每一設計師面前，將是未來機械設計發展的主旋律。而且高性能計算機的出現為復雜機械系統比如飛機結構件的強度設計分析提供有力支撐，兩者相輔相成，必將不斷促進飛機結構強度的飛速發展。

參考文獻

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