飛機疲勞強度計算[谷風參考]

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1、飛機強度計算方法飛機強度計算方法飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度計算飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度計算1谷風書苑 1979 1979年，一架美國的年，一架美國的“DC-10”DC-10”大型客機在芝加哥奧黑大型客機在芝加哥奧黑爾國際機場起飛不久就墜毀。爾國際機場起飛不久就墜毀。 19851985年年8 8月，日航的一架月，日航的一架5ALl235ALl23客機，由于后部壓力隔客機，由于后部壓力隔板的開裂而墜毀。板的開裂而墜毀。 20022002年年5 5月，臺灣中華航空公司一架波音月，臺灣中華航空公司一架波音747747客機在臺客機在臺灣海峽貶空突然解體，造成灣海峽貶空突然解體，造成225225人遇難。人遇難。 事后的調(diào)查

2、結(jié)果顯示，上述的機毀人亡事故均是由飛機事后的調(diào)查結(jié)果顯示，上述的機毀人亡事故均是由飛機結(jié)構(gòu)的疲勞破壞引起的。結(jié)構(gòu)的疲勞破壞引起的。 飛機的疲勞、腐蝕和磨損是引起飛機事故的飛機的疲勞、腐蝕和磨損是引起飛機事故的3 3種主要模種主要模式。據(jù)國外資料統(tǒng)計，飛機由結(jié)構(gòu)引發(fā)的故障，式。據(jù)國外資料統(tǒng)計，飛機由結(jié)構(gòu)引發(fā)的故障，80%80%以上是以上是由疲勞失效引起的。飛機疲勞壽命主要取決于兩個方面因素：由疲勞失效引起的。飛機疲勞壽命主要取決于兩個方面因素：一方面是飛機自身的內(nèi)部因素，即飛機結(jié)構(gòu)的疲勞設計、材一方面是飛機自身的內(nèi)部因素，即飛機結(jié)構(gòu)的疲勞設計、材料和加工質(zhì)量等；另一方面是飛機的外部因素，即飛機的

3、實料和加工質(zhì)量等；另一方面是飛機的外部因素，即飛機的實際使用載荷。際使用載荷。2谷風書苑2 2 飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度計算飛機結(jié)構(gòu)疲勞強度計算疲勞設計的概念疲勞設計的概念 在交變載荷作用下，即使應力水平較低，處于彈性范在交變載荷作用下，即使應力水平較低，處于彈性范圍內(nèi)，經(jīng)過若干次循環(huán)后，也會發(fā)生斷裂，稱為圍內(nèi)，經(jīng)過若干次循環(huán)后，也會發(fā)生斷裂，稱為疲勞疲勞。 交變載荷交變載荷，是指隨時間變化的載荷，載荷可以是力、，是指隨時間變化的載荷，載荷可以是力、應力、應變、位移等。應力、應變、位移等。安全壽命安全壽命是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生宏觀可見裂紋時的飛機使用期限是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生宏觀可見裂紋時的飛機使用期限. . 3

4、谷風書苑4谷風書苑5谷風書苑疲勞破壞的一般特征疲勞破壞的一般特征構(gòu)件交變應力遠小于材料的靜強度極限，破壞發(fā)生。構(gòu)件交變應力遠小于材料的靜強度極限，破壞發(fā)生。疲勞破壞在宏觀上無明顯塑性變形，低應力脆斷。疲勞破壞在宏觀上無明顯塑性變形，低應力脆斷。疲勞破壞是一個累積的過程，即裂紋形成、擴展、斷裂。疲勞破壞是一個累積的過程，即裂紋形成、擴展、斷裂。疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，因此改變局部設計就可以延長疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，因此改變局部設計就可以延長結(jié)構(gòu)壽命。結(jié)構(gòu)壽命。疲勞斷口在宏觀和微觀上均具有特征，可以借助斷口分析疲勞斷口在宏觀和微觀上均具有特征，可以借助斷口分析判斷是否屬于疲勞破壞。判斷是否屬于疲

5、勞破壞。6谷風書苑斷裂機理斷裂機理 目的：尋找產(chǎn)生裂紋的原因及制定飛機結(jié)構(gòu)合理的疲勞目的：尋找產(chǎn)生裂紋的原因及制定飛機結(jié)構(gòu)合理的疲勞 設計和維修方案的重要依據(jù)。設計和維修方案的重要依據(jù)。分為分為疲勞源疲勞源擴展區(qū)擴展區(qū)瞬斷區(qū)。瞬斷區(qū)。7谷風書苑疲勞斷口疲勞斷口（a） （b） （c）（a）疲勞斷口宏觀形貌（b）疲勞斷口示意圖（c）疲勞條紋的微觀圖象疲勞源 疲勞裂紋擴展區(qū) “貝紋貝紋”狀花樣狀花樣 瞬時斷裂區(qū) 8谷風書苑疲勞強度疲勞強度1 1、交變應力、交變應力9谷風書苑定義：平均應力定義：平均應力 Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 應力幅應力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 (2)

6、應力變程應力變程 D DS=Smax-Smin (3) 應力比或循環(huán)特性參數(shù)應力比或循環(huán)特性參數(shù) R=Smin/Smax (1)式二端除以式二端除以Smax，有，有 Sm=(1+R)/2Smax (4) (2)式二端除以式二端除以Smax，有，有 Sa=(1-R)/2Smax (5) (5)式除以式除以(4)式，有式，有 Sa=(1-R)/(1+R)Sm (6)Smax、Smin、Sm 、Sa、D DS、R等量中，等量中，只要已知二個，即可導出其余各量。只要已知二個，即可導出其余各量。10谷風書苑0StR= -1對稱循環(huán)對稱循環(huán)Smax=-Smin0StR=1靜載靜載Smax=Smin0StR

7、=0脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)Smin=0應力比應力比R R反映了載荷的循環(huán)特性。如反映了載荷的循環(huán)特性。如11谷風書苑2 2、S-NS-N曲線曲線 利用若干個利用若干個標準件在一定的標準件在一定的平均應力下，不平均應力下，不同的應力幅值下同的應力幅值下進行疲勞試驗，進行疲勞試驗，測出斷裂時的循測出斷裂時的循環(huán)次數(shù)環(huán)次數(shù)N N，然后，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的平均根據(jù)數(shù)據(jù)的平均值繪出值繪出S SN N曲線，曲線，這樣得到的這樣得到的S SN N曲線是指存活率曲線是指存活率為為5050的中值的中值S SN N曲線。曲線。不加說明均指在不加說明均指在R R-1-1時的時的S SN N曲線。曲線。12谷風書苑 S SN

8、N曲線可以分曲線可以分為三段，即低循環(huán)為三段，即低循環(huán)疲勞區(qū)疲勞區(qū)LCFLCF、高循、高循環(huán)疲勞區(qū)環(huán)疲勞區(qū)HCFHCF、亞、亞疲勞極限區(qū)疲勞極限區(qū)SFSF。低周疲勞低周疲勞（應變疲勞）（應變疲勞） 最大循環(huán)應力大于屈服應力，材料屈服后應變變化較大，最大循環(huán)應力大于屈服應力，材料屈服后應變變化較大，用應變作為疲勞控制參量。用應變作為疲勞控制參量。高周疲勞高周疲勞（應力疲勞）（應力疲勞） 最大循環(huán)應力小于屈服應力。最大循環(huán)應力小于屈服應力。主要研究內(nèi)容！主要研究內(nèi)容！疲勞極限疲勞極限（不加說明均指在（不加說明均指在R R-1-1時的疲勞極限）時的疲勞極限） 在一定循環(huán)特征下，材料可以承受無限次應力

9、循環(huán)而不發(fā)在一定循環(huán)特征下，材料可以承受無限次應力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應力稱為在這一循環(huán)特征下的生破壞的最大應力稱為在這一循環(huán)特征下的疲勞極限疲勞極限。13谷風書苑3 3、S-NS-N曲線的數(shù)學表達曲線的數(shù)學表達 由于疲勞試驗繪制由于疲勞試驗繪制S SN N曲線是一件耗費很大的工曲線是一件耗費很大的工作。因此，人們就尋找作。因此，人們就尋找S SN N曲線規(guī)律。曲線規(guī)律。1 1、冪函數(shù)式、冪函數(shù)式mNSC取對數(shù)取對數(shù)lglglgCNSmm2 2、指數(shù)式、指數(shù)式mSNeC取對數(shù)取對數(shù)lglglglgCNSmeme不加說明均指在不加說明均指在R R-1-1時的時的S SN N曲線。曲線。14谷風

10、書苑4 4、不同特征值下的疲勞強度（平均應力的影響）、不同特征值下的疲勞強度（平均應力的影響）討論討論R R的影響就是討論平均應力的影響。的影響就是討論平均應力的影響。(1)/(1)maSR SR當當S Sa a給定時，給定時，R R增大，增大，S Sm m也增大。也增大。 當當S Sm m00時，即拉伸平均應力作時，即拉伸平均應力作用下時，用下時，S SN N曲線下移，表示同樣曲線下移，表示同樣應力幅作用下壽命下降，對疲勞有應力幅作用下壽命下降，對疲勞有不利的影響；當不利的影響；當S Sm m0108 可忽略不及求得求得3312.295 10iiinN即為每次飛行的損傷即為每次飛行的損傷在該

11、零件破壞前能飛行的次數(shù)為在該零件破壞前能飛行的次數(shù)為L L，則則32.295 101L得得L L436436次次得得L L436/3436/3145145次次28谷風書苑MinerMiner理論的優(yōu)缺點理論的優(yōu)缺點缺點：缺點：沒有考慮各級載荷的相互影響（加載順序）；沒有考慮各級載荷的相互影響（加載順序）；沒有考慮低于疲勞極限的應力所造成的損傷；沒有考慮低于疲勞極限的應力所造成的損傷；沒有考慮硬化、殘余應力等因素的影響。沒有考慮硬化、殘余應力等因素的影響。優(yōu)點：優(yōu)點：簡單明了，使用方便。簡單明了，使用方便。因此，往往采用以下兩種方法解決。因此，往往采用以下兩種方法解決。1miiinDN()()i

12、iBABiiAn NNNn N29谷風書苑飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法名義應力法名義應力法計算疲勞載荷譜；計算疲勞載荷譜；確定危險部位；確定危險部位；獲得對應于應力譜的獲得對應于應力譜的S SN N曲線；曲線；運用累積損傷理論進行壽命估算。運用累積損傷理論進行壽命估算。iindNpTLKDf1miiinDN30谷風書苑應力嚴重系數(shù)法應力嚴重系數(shù)法該方法主要用于連接件的疲勞壽命估算該方法主要用于連接件的疲勞壽命估算孔邊最大應力為孔邊最大應力為maxtgtbPPKKWtdtD嚴重系數(shù)嚴重系數(shù)tgtbretPPSSFKKWtdtD31谷風書苑算例算例1、飛機上一塊、飛機上一塊20

13、24T4鋁合金薄板。由于振動而受應力鋁合金薄板。由于振動而受應力幅幅Sa為為200 MPa的對稱循環(huán)載荷。如果振動頻率為的對稱循環(huán)載荷。如果振動頻率為200周周min，試根據(jù)下圖估計這快薄板可能的平均使用壽命。，試根據(jù)下圖估計這快薄板可能的平均使用壽命。32谷風書苑21025鋼制零件，要求壽命為鋼制零件，要求壽命為500 000循環(huán)，如果這個構(gòu)循環(huán)，如果這個構(gòu)件承受件承受100MPa的對稱循環(huán)交變變應力，確定其可以達到的的對稱循環(huán)交變變應力，確定其可以達到的安全系數(shù)。安全系數(shù)。算例算例33谷風書苑3如果己知某種軍械中一種以如果己知某種軍械中一種以T-1鋼制成的零件，其計鋼制成的零件，其計算壽命為算壽命為600 000循環(huán)。確定當安全系數(shù)為循環(huán)。確定當安全系數(shù)為1.25時該零件時該零件的合適的工作應力。的合適的工作應力。算例算例34谷風書苑作業(yè)作業(yè)a 1mb 1m211mabSSSS已知：桿面積已知：桿面積30mm2，板厚度為板厚度為3mm。求。求孔邊疲勞壽命？孔邊疲勞壽命？P要求：要求：Sm0開孔開孔P35谷風書苑