第07讲：损伤容限设计基本概念、原理和方法ppt课件

第7讲损伤容限设计原理、内容和方法,结构耐久性和损伤容限设计,本讲内容,3,2,1,损伤容限设计概念和原理,破损安全结构,损伤容限设计对象,4,损伤容限设计内容和方法,损伤容限设计原理,损伤容限设计原理,损伤容限设计方法是在总结以往飞机设计、使用经验并在断裂力学理论的发展基础上，以设计规范形式确定下来的一种设计准则。损伤容限设计的基本出发点就是承认结构中存在着一定程度的未被发现的初始缺陷，然后通过损伤容限特性分析与试验：对可检结构给出检修周期；对不可检结构给出最大允许初始损伤,损伤容限设计的三个要素,临界裂纹尺寸或剩余强度剩余强度要求的载荷作用下，结构允许存在的最大损伤；或在某一规定的损伤下，结构剩余强度应大于对该结构的剩余强度要求值(即损伤容限载荷)。裂纹扩展周期结构部在载荷谱和环境谱作用下，裂纹长度从可检裂纹尺寸(初始裂纹尺寸)至临界裂纹尺寸值之间的裂纹扩展期损伤检查包括各种检查方法及检查周期的选择,疲劳安全寿命设计和损伤容限设计对比,a1:安全寿命终结点的宏观可检裂纹；a2:外场检测手段能测定的裂纹尺寸；a0:损伤容限设计起点的初始裂纹尺寸；acr不稳定扩展的临界裂纹尺寸。,疲劳安全寿命设计和损伤容限设计对比,均是在不同意义上解决结构的使用寿命设计及飞机安全问题，总的目标是一致的，而且在结构件抗疲劳细节设计的原理上仍有许多共同之处。,疲劳安全寿命设计和损伤容限设计对比,损伤容限设计目标,将飞机结构设计成在使用载荷/环境谱载荷下，在给定的设计使用寿命期限内具有高安全性。对于可检结构给出检查周期，以确保结构有足够的剩余强度；对于不可检结构给出最大允许初始损伤，以确保在给定的使用寿命期限内，不至于由于未被发现的损伤导致灾难性的事故。,损伤容限设计所关心的问题,(1)剩余强度与裂纹尺寸的关系如何?(2)在预期的工作载荷下能够容许多大的裂纹？(3)在结构工作寿命开始时，允许存在多大缺陷?(4)裂纹初始尺寸扩展到临界尺寸需要多长时间?(5)裂纹检查周期的确定?,本讲内容,3,2,1,损伤容限设计概念和原理,破损安全结构,损伤容限设计对象,4,损伤容限设计内容和方法,结构分类,飞机结构,飞行安全结构,一般结构,断裂关键结构,断裂部位,损伤容限设计,断裂型式,损伤容限危险部位的确定,危险部位的选择是飞机损伤容限设计评估工作中的最重要环节。下列部位应选危险部位：(1)所有飞行安全结构。(2)破坏的后果和危险程度。该部位损伤严重影响飞机的使用功能、飞机安全或导致主要系统失效。(3)结构形式、受力情况和强度储备一般对整体结构和所有单传力途径结构(特别是不可检结构部位)；应力水平高，并且严重应力集中的部位；刚度不足振动较强的部位。,(4)材料的理化、机械、工艺等特性。如采用对疲劳和缺口比较敏感的材料制成的结构件。(5)零、构件所处的环境条件。如振动、腐蚀、高温、高压等，其中对经常承受高温和腐蚀介质的部位应重点考虑为危险部位。(6)可检查度及维护、更换的可能性。对不可检结构应考虑选为危险部位。(7)强度计算、试验中发现的薄弱环节，试飞中发生过故障，以及根据以往经验可判断为易出故障的结构部位，均应选作危险部位(8)对施工困难，工艺质量、表面质量不易保证，费用大、生产周期长的部位应作为着重考虑的部位。,损伤容限危险部位的确定,损伤容限危险部位的确定,F-111关键钢结构,F-4危险部位,考虑到破坏的后果，结构型式和危险程度，根据全机疲劳和部队使用经验确定危险区域。对100多个不同危险程度的区域进行筛选，详细研究了50个区域，其中39个区域被鉴定为危险区域。下表给出主要结构部件中通常关心的区域：,要求全尺寸损伤容限试验的结构,对一架新研制的飞机，通常全尺寸损伤容限试验的结构项目包括(不限于如下项目)机身气密舱机身与机翼的结合部发动机架或接头前缘襟翼后缘襟翼与副翼机体结构的大型锻件前起落架部件主起落架部件全机，带一段机身的机翼，带一段机翼和一段尾翼的机身,本讲内容,3,2,1,损伤容限设计概念和原理,破损安全结构,损伤容限设计对象,4,损伤容限设计内容和方法,破损安全结构定义和分类,按损伤容限的观点，在使用中结构的某些部分产生裂纹，要求通过定期检查发现这些裂纹前，还能承受足够的载荷，此类结构称为破损安全结构。破损安全结构可分三种类型：缓慢裂纹扩展结构多传力途径-破损安全结构破损安全止裂结构适当的选择结构类型式进行损伤容限设计的第一步。,缓慢裂纹扩展结构,缓慢裂纹扩展结构是根据结构中的缺陷或瑕疵不允许达到不稳定快速扩展所要求的裂纹临界尺寸设计概念所设计的结构。在未修理的使用周期内，亚临界裂纹扩展阶段结构的强度不应下降到规定的限度以下。该结构是通过使用周期内缓慢裂纹扩展来保证安全。,缓慢裂纹扩展结构的设计特点,这种方法使用起来简单可靠，分析工作量少，安全储备较大这类结构要求结构材料的裂纹扩展速率较低，而且应设计成其初始缺陷扩展到临界裂纹尺寸的寿命大于规定的飞机检修期。从设计概念而言，这类结构多属于单传力途径结构或静定结构以及整体结构。从可检度方面而言，只有场站或基地级可检与使用中不可检的结构适用于缓慢裂纹扩展结构。,多传力途径-破损安全结构,多传力途径-破损安全结构是由多个元件或分段组成多条传力途径的结构，结构分段可控制局部损伤，从而防止结构安全破坏。结构在规定的未修理使用周期中，强度不降低到规定水平下。该结构通过残存结构在后续检查前缓慢裂纹扩展保证安全。,多传力途径破损安全结构要求,：在主传力途径失效前，要求结构能够承担在最小未修使用期内可能遭遇到的最大载荷。：在主传力途径失效时，残存结构必须有能力承受引起传力途径失效的载荷，再加上由断裂元件转嫁过来的载荷；：必须有足够强的紧固件以保证失效结构上的载荷传递到残存结构上。,设计实例,机翼、尾翼设计中采用的多梁、多腹板或多桁条结构，都可以看成是一种分散传力结构布局的多路传力结构。,多路传力结构保证破损安全比较可靠，许多重要结构和构件，如机翼大梁缘条、加强框等往往采用它。但由于工艺复杂、成本高、重量增加等缺点，使这种方法的使用有一定限制，不是所有受力构件都适合采用,(a)由三块整体壁板通过钢铆钉连接组成的下翼面；(b)B707飞机平尾的三缘条结构形式；,破损安全止裂结构,破损安全止裂结构是在安全破坏前使裂纹不稳定快速扩展停止在结构的某一连接区域内而设计和制造的结构。该结构通过残存结构中的缓慢裂纹扩展和在后续检查中觉察损伤来保证安全。一般结构采用多个元件组成，适当安置止裂带。这种设计概念对于较长较大的构件常考虑采用加筋板是这种结构的典型代表。,整体壁板桁条起到止裂带的作用,本讲内容,3,2,1,损伤容限设计概念和原理,破损安全结构,损伤容限设计对象,4,损伤容限设计内容和方法,损伤容限设计要点,1.尽量将结构设计成破损安全结构，具有缓慢裂纹扩展特性2.保证结构破损安全的关键是定期进行检查或考验性试验3.正确合理地确定检查周期是保证结构破损安全的关键4.采用断裂韧度高、抗裂纹扩展性能好的材料,5.最小可检裂纹尺寸的确定取决于所选用的检测手段和检测人员技术水平；提高检测灵敏度对提高结构的安全性起非常重要的作用。6.对于较长、较大的零件应考虑止裂措施，如采用止裂孔、止裂带和结构分段等，以防止裂纹快速扩展7.合理地控制结构的设计应力水平,损伤容限设计要点,降低最小可检裂纹尺寸使检修周期增加,损伤容限设计步骤,损伤容限设计目的是保证飞机的安全性，为此损伤容限设计工作必须从飞机总体设计阶段开始。在飞机结构型式确定、受力构件安排、材料选择和构造工艺方法确定等均应考虑损伤容限设计原则。尽量将结构设计成破损安全结构，并具有良好的可检查性。,1.确定设计使用载荷谱；2.确定飞行安全结构和断裂关键结构；3.合理选择材料，兼顾静强度、刚度和疲劳设计要求；4.进行结构分类，确定结构类型和检查级别；5.进行结构细节设计6.确定初始缺损尺寸7.对关键部位进行裂纹扩展和剩余强度分析，确定临界裂纹长度、剩余强度水平和裂纹扩展寿命。8.进行结构损伤容限实验9.制定维修计划，并给出使用维修大纲10.使用期间进行跟踪。,设计步骤,损伤容限设计内容,1.确定飞行安全结构和断裂关键结构2.载荷谱和应力谱确定高低载荷的排列顺序问题高载的截取问题低载的截除问题,几种典型谱型,3.初步确定损伤容限设计结构类型,结构的设计类型由设计概念和可检查度两项来决定。,损伤容限设计内容,结构类型的选用原则,场站级或基地级可检结构和使用中不可检结构应设计成缓慢裂纹扩展结构飞行明显可检结构、地面明显可检结构、目视可检结构、特殊目视可检结构和场站级或基地级可检结构原则上设计成破损安全止裂结构或破损安全多传力途径结构。表面结构一般为可检结构，可考虑设计成破损安全结构内部结构当为不可检结构时，应设计成缓慢裂纹扩展结构易更换的结构容易实现破损安全设计；不易更换的结构以采取缓慢裂纹扩展结构为宜。静定结构是单传力途径结构，应设计成缓慢裂纹扩展结构。静不定结构增加了结构的安全度，是实现多传力途径的基础,应尽可能设计成破损安全多传力途径或破损安全止裂结构,F104G机翼结构,米格21机翼结构,单铰点轴承式变后掠机翼,全动平尾大轴,当破损安全的要求有一部分不能满足，或者进行缓慢裂纹扩展分析不复杂时，可以把多传力途径的结构看作是缓慢裂纹扩展结构对于一些特殊的结构件，如气密座舱、整体油箱，设计类型的选择应做特殊考虑。这类构件不允许采用破损安全设计，而应采用缓慢裂纹扩展设计，并有适当止裂措施。,结构类型