典型结构的损伤容限设计方法课件

1、本讲内容本讲内容321加劲板结构的断裂分析加劲板结构的断裂分析焊接结构中的断裂问题焊接结构中的断裂问题壳体结构断裂特性分析壳体结构断裂特性分析4提高结构损伤容限特性的措施提高结构损伤容限特性的措施加劲板结构的断裂分析加劲板结构的断裂分析 加劲板剩余强度和裂纹扩展规律研究在飞机损伤容限设计中具有重要意义。对于加劲板的断裂特性研究必须回答以下问题：加劲板与非加劲板断裂特性的差异？加劲板的剩余强度如何变化？加劲板中裂纹扩展如何计算？ 非加劲板的断裂特性非加劲板的断裂特性含裂纹非加劲板含裂纹非加劲板P曲线具曲线具有明显的非线性特性，产生有明显的非线性特性，产生非线性的两个原因：非线性的两个原因：(1)

2、 塑性变形；塑性变形；(2) 裂纹出现亚临界扩展裂纹出现亚临界扩展非加劲板的剩余强度曲线非加劲板的剩余强度曲线工程上用初始裂纹长度工程上用初始裂纹长度a0在裂纹扩展过程中所承受的最大载荷在裂纹扩展过程中所承受的最大载荷C表示非加劲板的剩余强度，其所对应的应力强度因子称为表观断表示非加劲板的剩余强度，其所对应的应力强度因子称为表观断裂韧性裂韧性KAPP。加劲板的断裂特性加劲板的断裂特性 加劲板的组成：面板；桁条；铆钉加劲板的组成：面板；桁条；铆钉 分析对象：分析对象：Q 面板等厚度面板等厚度(t)(t)，无限大，无限大Q 含有等含有等间间距距(S)(S)平行的加强桁平行的加强桁条条Q 两两桁桁条

3、条之之间间的面板含有的面板含有长为长为2a2a的中心穿透裂的中心穿透裂纹纹Q 无无穷远处穷远处，面板上，面板上载载荷荷为为 ，横条横条上上载载荷荷EES S/ /E E加劲板的断裂特性加劲板的断裂特性无裂纹时 Q面板与桁条应变相同，铆钉不受力面板中出现裂纹后产生两个效果Q降低了面板中裂纹尖端的应力强度因子Q增加了桁条内的载荷 含裂纹加劲板的断裂特性用应力强度因子降低系数含裂纹加劲板的断裂特性用应力强度因子降低系数C C和桁条载荷集中系数和桁条载荷集中系数L L表示。表示。C C和和L L与与a/s,a/s,桁条面积桁条面积、材料、材料和形状、铆钉间距和材料和形状、铆钉间距和材料等因素有关。等因

4、素有关。1非加劲加劲KKC1maxFFL加劲板C和L随裂纹长度的变化关系强桁条从开裂蒙皮上传递的载荷较多，裂纹尖端的应力强度因子较小，故C较小，而其从蒙皮取得的载荷相对自身已经承担的载荷来说相对较小，故其L也较小。桁条远离裂纹尖端时K下降不明显，当裂尖靠近桁条时K下降较多，裂纹通过桁条时下降最多。刚度比越大则C越小。桁条对应力强度因子下降越明显StEEAEA2SSSSC随a/s和的变化关系L随裂纹长度的增加而增加，裂纹较长时L达到极值；L的极值与有关， 较小时承载最大的桁条的应力比远处桁条的应力要大得多。StEEAEA2SSSSL随随a/s和和的变化关系的变化关系越靠近裂纹的铆钉受的力越大，当

5、裂纹很短时，铆钉力很小； 裂纹长度不超过一个桁条间距时，桁条的刚度越大铆钉力也越大。铆钉力铆钉力(最靠近裂纹最靠近裂纹)随随a/s和和的变化关系的变化关系加劲板的剩余强度曲线加劲板的剩余强度曲线加劲板的剩余强度与面板和桁条的刚度比有关。中，要以相当大的桁条应力集中才能换取不大的应力强度因子减小。因此，总是桁条首先失效，然后造成整个壁板断裂。中，裂纹尖端应力强度因子降低很多的情况下桁条的应力集中仍然很小。因此，加劲板的破坏是主要由于平板的快速断裂造成。弱桁条加劲板的剩余强度弱桁条加劲板的剩余强度小尺寸裂纹：裂纹扩展沿小尺寸裂纹：裂纹扩展沿ABCD，桁条未能阻止裂纹扩展，桁条未能阻止裂纹扩展中尺寸

6、裂纹：裂纹扩展沿中尺寸裂纹：裂纹扩展沿KLMNH，桁条在，桁条在N点起到止裂作用点起到止裂作用长尺寸裂纹：裂纹扩展沿长尺寸裂纹：裂纹扩展沿EFGH，桁条止裂作用明显，扩展稳定，桁条止裂作用明显，扩展稳定强桁条加劲板的剩余强度强桁条加劲板的剩余强度裂纹长为裂纹长为2a时，裂纹沿时，裂纹沿ABCDE扩展，扩展，E点所对应的载荷即为点所对应的载荷即为小于桁条间距的裂纹所对应的剩余强度的下限值。小于桁条间距的裂纹所对应的剩余强度的下限值。考虑连接件破坏时考虑连接件破坏时载荷通过连接件从板传递到桁条，在裂纹两侧的连接件载荷较高，容易产生载荷通过连接件从板传递到桁条，在裂纹两侧的连接件载荷较高，容易产生破

7、坏。连接件破坏会降低桁条的有效性。破坏。连接件破坏会降低桁条的有效性。构件沿构件沿EFGKKH破坏，连接件首先破坏，然后桁条破坏。破坏，连接件首先破坏，然后桁条破坏。C和和L的计算方法的计算方法v作为弹性力学平面问题求解，解出裂纹尖端应力场作为弹性力学平面问题求解，解出裂纹尖端应力场v集中系数法，将加劲板简化为板和杆组成的网络集中系数法，将加劲板简化为板和杆组成的网络v将铆钉力作为未知数的方法，工程中经常采用将铆钉力作为未知数的方法，工程中经常采用Q 应用平衡条件以及桁条和面板在铆钉处位移相等求得jjssjjjFEWtELaFKC11加劲板的止裂方法加劲板的止裂方法 止裂有两个重要内容：v 对

8、疲劳裂纹的限制v 限制裂纹失稳快速扩展 止裂的三种途径：v 减小裂纹尖端的应力强度因子，如加止裂带v 减小应力集中系数，如加止裂孔；v 引进残余压应力，如采用预挤压、喷丸强化等 本讲内容本讲内容321加劲板结构的断裂分析加劲板结构的断裂分析焊接结构中的断裂问题焊接结构中的断裂问题壳体结构断裂特性分析壳体结构断裂特性分析4提高结构损伤容限特性的措施提高结构损伤容限特性的措施壳体结构断裂特性分析壳体结构断裂特性分析 飞机的机身、火箭的外壳、核反应堆的储箱、船舶和压力容器等都是由曲板和壳体结构组成的。这些大型结构的断裂分析和控制具有重要意义。两类典型结构加劲薄壳结构压力容器加劲薄壳结构断裂分析加劲薄

9、壳结构断裂分析加劲薄壳结构分析的关键是其应力强度因子的计算，在同样材料平板应力强度因子的基础上，考虑到各种影响因素的修正得到。并且在线弹性范围内，这些影响可以分开来处理。曲率的影响曲率的影响对于曲率不大的扁球薄壳压力容器，采用修正系数对于曲率不大的扁球薄壳压力容器，采用修正系数MF考虑考虑曲率的影响曲率的影响RhaMF26 . 11裂纹边缘失稳或内压鼓出的影响裂纹边缘失稳或内压鼓出的影响鼓出是由于裂纹边缘的拉伸应力的消失造成的。由于鼓出鼓出是由于裂纹边缘的拉伸应力的消失造成的。由于鼓出引起的裂纹尖端的局部弯曲而引起的裂纹尖端的局部弯曲而增大应力强度因子增大应力强度因子。裂纹的。裂纹的边缘失稳或

10、内压鼓出将使临界断裂应力降低边缘失稳或内压鼓出将使临界断裂应力降低20%30%。平行于裂纹的轴向应力的影响平行于裂纹的轴向应力的影响 无加强桁条时，轴向应力使得内压造成的边缘失稳或内压无加强桁条时，轴向应力使得内压造成的边缘失稳或内压鼓出减轻，从而使应力强度因子降低。鼓出减轻，从而使应力强度因子降低。有加强桁条时，桁条阻止平板材料在垂直裂纹方向的收缩，桁条承受压缩应力，板在铆钉处收到拉伸载荷，增加了应力强度因子。横向加强件的约束作用横向加强件的约束作用 横向加强件使加劲板附近的面板处于双向受拉状态，使得裂纹边缘失稳或内压鼓出减轻，从而使应力强度因子降低。压力容器的设计准则 含裂纹压力容器有两种

11、失效模式： 脆断穿透前到达临界尺寸断裂韧性控制 断裂前渗漏穿透前未到临界尺寸强度控制 为了减小压力容器危害性，在高压状态下工作的容器一般根据“断裂前渗漏”准则设计。Irwin的的“破裂前渗漏破裂前渗漏”准则准则 设计应力水平下的临界裂纹尺寸大于容器的壁厚，即表面裂纹穿透壁厚而等于两倍壁厚的穿透裂纹时，此时临界载荷恰好等于设计的名义应力，则裂纹仍是稳定的。2ys2IC2ys24IC24 . 1BKBK 应用此准则结合强度准则确定壁厚及选择合适材料，以满足屈服强度和断裂韧度的要求。本讲内容本讲内容321加劲板结构的断裂分析加劲板结构的断裂分析焊接结构中的断裂问题焊接结构中的断裂问题壳体结构断裂特性

12、分析壳体结构断裂特性分析4提高结构损伤容限特性的措施提高结构损伤容限特性的措施焊接引起的后果焊接引起的后果Q 焊接高温引起结构内部缺陷焊接高温引起结构内部缺陷Q 结构内部产生较高的残余应力结构内部产生较高的残余应力Q 焊接改变了原来结构的金属特性焊接改变了原来结构的金属特性焊接结构要重点考虑的问题焊接结构要重点考虑的问题 焊接部位经常是裂纹萌生的危险部位焊接部位经常是裂纹萌生的危险部位 焊缝附近区域材料力学性能的变化焊缝附近区域材料力学性能的变化 焊接引起的残余应力的影响焊接引起的残余应力的影响 温度对焊接结构的脆断的影响温度对焊接结构的脆断的影响本讲内容本讲内容321加劲板结构的断裂分析加劲

13、板结构的断裂分析焊接结构中的断裂问题焊接结构中的断裂问题壳体结构断裂特性分析壳体结构断裂特性分析4提高结构损伤容限特性的措施提高结构损伤容限特性的措施工艺措施 在结构开孔及断面突变的应力集中部位，容易发生构件的疲劳断裂破坏。为了提高结构件的抗疲劳/断裂能力，常采用以下工艺措施： 结构钉孔的挤压强化； 零件表面的喷丸强化； 干涉配合；结构钉孔的挤压强化结构钉孔的挤压强化挤压强化消除了机械划伤和微观裂纹等缺陷，产生了塑性变形和挤压强化消除了机械划伤和微观裂纹等缺陷，产生了塑性变形和残余压应力，降低了实际承受的应力水平和裂纹扩展速率，提高残余压应力，降低了实际承受的应力水平和裂纹扩展速率，提高了结构

14、的疲劳寿命。了结构的疲劳寿命。挤压强化是利用硬质挤压强化是利用硬质材料挤压棒对已预加材料挤压棒对已预加工孔的内表面施加压工孔的内表面施加压力，以光整和强化孔力，以光整和强化孔的内表面。的内表面。零件表面的喷丸强化零件表面的喷丸强化喷丸强化在结构内产生喷丸强化在结构内产生“循环应变层循环应变层”，该层内产生组织变化和，该层内产生组织变化和残余压应力，改善零件表面的完整性，从而提高疲劳断裂和应力残余压应力，改善零件表面的完整性，从而提高疲劳断裂和应力腐蚀断裂抗力。腐蚀断裂抗力。喷丸强化喷丸强化是以高是以高速弹丸喷射金属速弹丸喷射金属表面，使表面金表面，使表面金属发生塑性变形。属发生塑性变形。采用采用干涉配合干涉配合 连接件和孔之间采用干涉配合，使孔周围产生预应力。高连接件和孔之间采用干涉配合，使孔周围产生预应力。高干涉配合情况，平均应力降低，应力幅值降低，提高结构疲劳干涉配合情况，平均应力降低，应力幅值降低，提高结构疲劳寿命有益。寿命有益。设计措施改善损伤容限特性设计措施改善损伤容限特性初步设计阶段的损伤容限设计考虑Q 有效的结构布局 传力路线不宜过于集中 部件连接时交点不宜太少 合理配置加劲板结构参数Q 结构材料