應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)是一個(gè)反映結(jié)構(gòu)連接件孔的疲勞品質(zhì)的無(wú)量綱參數(shù)。應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)與參考應(yīng)力乘積達(dá)到最大的部位一般就是結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。在彈性狀態(tài)，應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)同外載無(wú)關(guān)，僅為與結(jié)構(gòu)幾何特征有關(guān)的常數(shù)。在壽命計(jì)算時(shí)，把應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)作為當(dāng)量的應(yīng)力集中系數(shù)，用相應(yīng) "的構(gòu)件 %曲線，來(lái)查取某名義應(yīng)力水平下的壽命。
（&）疲勞損傷的線性累積原理。結(jié)構(gòu)的疲勞損傷在沒(méi)有形成明顯的宏觀可見(jiàn)裂紋前是一個(gè)復(fù)雜的微觀幾何形態(tài)，包括微裂紋成核、生長(zhǎng)、匯聚等過(guò)程，這種過(guò)程的發(fā)展隨外加疲勞載荷的作用也不呈線性關(guān)系，特別在隨機(jī)載荷作用下更是如此。為了能夠量化描述疲勞損傷，工程上將某個(gè)變幅疲勞載荷中第 ’個(gè)載荷循環(huán)引起的疲勞損傷 (’定義為
(’ ) %*+’（& , &-）
式中，%+’表示由第；個(gè)循環(huán)載荷水平恒幅作用下的疲勞斷裂壽命（循環(huán)周次）。
顯然，上述定義已將恒幅循環(huán)載荷的疲勞損傷線性量化了。同樣對(duì)于變幅隨機(jī)載荷譜，雖其疲勞損傷是一個(gè)復(fù)雜的非線性增長(zhǎng)過(guò)程，工程上也采用線性損傷累積的原則，即認(rèn)為載荷譜中各級(jí)交變應(yīng)力或應(yīng)變引起的疲勞損傷可以獨(dú)立計(jì)算，損傷可以線性累加，即式（& , &.），這樣的線性累積法則通常稱為 /’012法則。那么一個(gè)隨機(jī)載荷譜造成結(jié)構(gòu)的總疲勞損傷即可寫為
3) +4(’ )+4%0’+’（& , &.）
’)* ’)*
式中54———載荷譜中的載荷級(jí)別總數(shù)目；
0’ ———第 ’級(jí)載荷的作用次數(shù)；
3—
—一塊隨機(jī)載荷譜引起的結(jié)構(gòu)總損傷量，工程上定義當(dāng) 3 )*時(shí)，就認(rèn)為
結(jié)構(gòu)發(fā)生了疲勞破壞，而 *63則表示疲勞破壞前作用的載荷譜塊數(shù)。
還應(yīng)當(dāng)指出，盡管結(jié)構(gòu)的疲勞損傷是一個(gè)復(fù)雜的非線性物理過(guò)程，但非線性描述參數(shù)的獲取十分不易，往往被許多的隨機(jī)因素湮滅，壽命估算精度并不比工程上常采用的線性累積法則就高。線性累積法則使用簡(jiǎn)單，估算精度尚好，因而工程上廣泛采用。當(dāng)然，疲勞損傷也還是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過(guò)程，3也就是隨機(jī)變量了，我們將在可靠性設(shè)計(jì)一節(jié)中加以說(shuō)明。
（7）安全壽命估算。
安全壽命估算是在疲勞壽命的確定性算法基礎(chǔ)上對(duì)疲勞分散性加以考慮。當(dāng)用一個(gè)疲勞載荷譜塊估算壽命時(shí)，可用下式計(jì)算其安全壽命。
%89 ) :; （& , &<）3;* +89
•&*-•
式中 " —
—用飛行小時(shí)（或飛行次數(shù)）表示的計(jì)算安全壽命；
%& —
—一個(gè)載荷譜塊代表的飛行時(shí)數(shù)（或飛行次數(shù)）；
’&( ———一個(gè)載荷譜塊造成的累積損傷；
) —
—計(jì)算取用的疲勞分散系數(shù)。
對(duì)于更普遍的情況，特別對(duì)嚴(yán)重機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)斗機(jī)，為了考慮第一個(gè)譜塊加載結(jié)束時(shí)的殘余應(yīng)力對(duì)第二個(gè)譜塊的影響，規(guī)范上推薦采用兩個(gè)譜塊的累積損傷進(jìn)行壽命估算。在假定第二譜塊和它后繼的譜塊引起的損傷是相同的條件下，可以得到的安全壽命為
%&（( -’&(） %&
"*+ , ’&. ) / )（. -0 -.1）
式中 ’&. ———由第二譜塊引起的累積損傷。
最后，還應(yīng)當(dāng)說(shuō)明安全壽命估算涉及許多不，確定性因素，材料、熱處理、表面處理、應(yīng)力集中系數(shù)、加載方式等因素不同時(shí)，2—"曲線或 -"曲線均不同，因此為估算壽命，應(yīng)建立對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)應(yīng)力譜的疲勞壽命曲線及疲勞性能數(shù)據(jù)庫(kù)。
四、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)抗疲勞設(shè)計(jì)
飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)在使用和疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷表明：機(jī)體結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，幾乎都起源于不合理的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處。為保證飛機(jī)具有預(yù)期的設(shè)計(jì)使用壽命，必須對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)實(shí)施抗疲勞設(shè)計(jì)，以改善和提高結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)抗疲勞開(kāi)裂和擴(kuò)展的固有品質(zhì)。
要改善結(jié)構(gòu)抗疲勞的固有品質(zhì)，就必須仔細(xì)控制結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處的實(shí)際工作應(yīng)力和初始質(zhì)量。設(shè)計(jì)時(shí)，特別要注意消除或減少促使結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞開(kāi)裂的各種因素，選用抗疲勞抗腐蝕性能好的材料，并且采用恰當(dāng)?shù)募庸ぶ圃旃に嚒崽幚矸椒ā⒈砻嫣幚砗涂蛊趶?qiáng)化措施等。通過(guò)長(zhǎng)期的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，設(shè)計(jì)人員總結(jié)出許多可提高結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并已作為規(guī)范確定下來(lái)。在后面的各章內(nèi)容中，可以看到這些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的廣泛應(yīng)用。
五、安全壽命的綜合設(shè)計(jì)與控制
綜上所述，安全壽命設(shè)計(jì)的主要概念是要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)宏觀可檢裂紋，實(shí)際上是指要保證飛機(jī)從可能使用到形成一定尺寸裂紋（通常稱工程可檢裂紋）的使用時(shí)間內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全。因此，安全壽命設(shè)計(jì)貫穿于飛機(jī)研制的全過(guò)程，必須在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用各階段進(jìn)行綜合有效控制，才能使結(jié)構(gòu)真正具有較強(qiáng)的抗疲勞能力，才能保證結(jié)構(gòu)的使用安全。
然而，安全壽命設(shè)計(jì)有其自身的缺陷和不完全的一面。主要有三方面的問(wèn)題：其一是用 2-"曲線（或 —"曲線）的疲勞試驗(yàn)估算疲勞壽命混淆了裂紋萌生和裂紋 •.(3•
擴(kuò)展階段，以至于難以搞清楚兩個(gè)階段在總壽命中各占的百分比。這個(gè)比例在不同情況下是十分不同的，而工程上對(duì)此問(wèn)題是十分關(guān)心和感興趣的。如果把裂紋萌生和微觀擴(kuò)展階段對(duì)應(yīng)的壽命稱為無(wú)裂紋（宏觀不可見(jiàn)）壽命 "，則在結(jié)構(gòu)不存在缺陷的假設(shè)條件下，重復(fù)循環(huán)應(yīng)力越小， "占總壽命的比例就越大；材料金相組織細(xì)密，屈服極限高， "的比例也高。其二是安全壽命設(shè)計(jì)為了“安全”，一味地加大分散系數(shù)的考慮，致使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量提高；另一方面，飛機(jī)結(jié)構(gòu)部位的損傷發(fā)展無(wú)力予以評(píng)估，導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì)的維修，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看也是不利的。其三是對(duì)一般工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，實(shí)際上缺陷（如材料疵點(diǎn)、劃痕和焊裂等）的存在是不可避免的，因此即使以工作應(yīng)力小于疲勞極限來(lái)設(shè)計(jì)，也不能保證壽命是無(wú)限的，即疲勞設(shè)計(jì)實(shí)際上并不能確保 %安全。在存在缺陷、漏檢損傷等情況下，無(wú)裂紋壽命即使有，所占比例也要小得多。斷裂力學(xué)感興趣的裂紋宏觀擴(kuò)展階段，對(duì)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這一階段在總壽命中占有相當(dāng)?shù)谋壤Ｒ虼嗽谖覈?guó)規(guī)范中規(guī)定，“對(duì)危及飛機(jī)機(jī)體安全的主要結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用損傷容限設(shè)計(jì)”，這將比安全壽命設(shè)計(jì)更為可靠；同時(shí)還提出“飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命通常由裂紋形成和裂紋擴(kuò)展壽命兩部分組成”，
中國(guó)航空網(wǎng) m.k6050.com
航空翻譯 www.aviation.cn
本文鏈接地址：飛機(jī)檢測(cè)與維修實(shí)用手冊(cè) 1(76)
