飞机结构的损伤及耐久性述评

1耐久性分析/损伤容限基本思想介绍

耐久性的基本概念是指在飞机使用寿命周期内飞机结构承受疲劳断裂、磨损、外界腐蚀及热疲劳等外界损伤的性能。耐久性分析是建立在确定飞机结构在使用前的各种不足，例如在飞机制造与运输等成型环节中所产生的原始缺陷，飞机结构在外力载荷和各类环境参数的共同影响下，会渐变的行成初步微量的结构裂纹和损害，随着使用的过程，缺陷会继续发展扩展并导致结构的破坏和影响飞机的正常使用，必须实时遏制裂纹发展并进行维修。在考虑飞机结构在投入使用前的原始不足，以及使用过程中环境因素和外力载荷的破坏的前提下，通过在设计中考虑这些因素，将疲劳裂纹和损伤缺陷限制在可控的范围内，保证结构的强度要求，这就是损伤容限设计的基本思想。设计的基本准则是要保证飞机结构在使用周期内必须满足规范所要求的强度余量，并控制缺陷在能够稳定控制其扩展的尺寸范围内。

2寿命要求

飞机结构采用损伤容限和耐久性分析方法进行结构设计，确定飞机结构的寿命是采用综合分析的方法。损伤容限主要是运用监控裂纹扩展缺陷来制定维修周期，并保证结构剩余强度达到规范的使用要求及正常运行。而耐久性分析则是以断裂力学理论为依据制定飞机结构维修间隔来确定飞机总体使用寿命，使其高于设计使用声明；因此，运用该设计方法来确定飞机结构使用寿命的指导思想的核心在于：运用损伤容限确定飞机的正常运行，耐久性设计确定飞机使用寿命。

3理论基础-断裂力学介绍

飞机结构在外在载荷和环境各类因素的影响下产生各类裂纹，此类缺陷导致飞机的使用周期下降，并影响了飞机的安全可靠性，但是由于该现象无法用传统的理论科学去解释，断裂力学这门专门针对裂纹结构力学行为的学科应运而生，而飞机结构损伤容限/耐久性分析设计方法正是在这样的基础上发展并广泛应用的。断裂力学的基本理论框架包括研究裂纹尖端应力场、裂纹的扩展规律、裂纹开裂规律以及各类激励下的裂纹响应等，此理论从20世纪60年代兴起，发展到今天依然吸引着众多学者研究，保持着强盛的学科生命力。

4飞机结构设计的基本途径

耐久性分析是在疲劳分析的基础上发展并完善起来的。通过统计概率断裂力学理论的积累，依靠数值模拟和实验结合等方法科学的研究裂纹产生和裂纹扩展规律，从总体上指导飞机结构设计，并提高飞机结构设计的可靠性和准确性，使飞机结构设计的理论有了一个质的飞跃。耐久性设计的基本方法是：1，满足设计规范的基本要求；2，进行耐久性具体设计，包括针对材料强度、结构设计优化（降低应力集中和加工应力）、工艺设计、应对特殊环境防护、加工与装配质量控制等环节进行耐久性考量；3，耐久性校核，在设计初期，对飞机结构进行理论计算与分析，为实验提供指导与依据。后期进行实验，得到耐久性评估与校核报告。由于考虑实验成本，主要是针对飞机的关键部位和重点缺陷进行实验验证。损伤容限设计是对耐久性分析的一定补充，保证飞机在产生裂纹的同时满足设计使用的安全强度。因此，建立损伤容限设计的标准与校核规范是飞机结构设计不可缺少的一部分。损伤容限设计针对不同的飞机结构有不同的标准与检修规范，因此首先是根据飞机结构的裂纹扩展情况进行飞机结构的划分，然后根据划分类型来针对不同结构制定不同的损伤容限设计规范。这些规范主要体现在结构形式的确定，材料选型上。另外针对评定的标准，则是对飞机结构进行损伤容限校核，在飞机结构裂纹扩展规律的基础上，考察飞机结构的强度余量是否满足飞机可靠安全飞行的要求。

作者：罗有军 单位：空客（北京工程技术中心有限公司