6-飞机结构疲劳设计(一)

飞机结构疲劳设计(一)王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所1前言以前的飞机结构设计问题都是基于静载荷条件下的静强度问题，即结构的破坏是由于结构受到实际应力超过了构件的强度极限所造成的。然而在实际使用过程中，飞机结构经常承受交变载荷，部件长期在交变载荷作用下，即使其最大工作应力远小于强度极限，甚至比屈服极限还小，也可能发生断裂破坏。这种由交变应力引起的破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏是目前航空工程中一个十分突出的问题。据统计，飞机结构在外场使用中发生的断裂问题80%以上都是因疲劳而引起的，因此在对飞机结构进行设计时，必须进行结构疲劳设计。2疲劳设计概念疲劳概念：结构在重复载荷作用下经常因疲劳而产生裂纹，最终导致疲劳破坏，这种因循环应力或交变应力而使材料抵抗裂纹扩展和断裂能力减弱的现象。疲劳破坏一般有以下特征：①在交变载荷作用下，构件交变应力远小于材料的静强度极限的情况下破坏也可能发生。②不管是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂，属于低应力类脆性断裂，故不易察觉，具有更大的危险性。③疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历一定的时间历程，甚至是很长的时间历程。疲劳破坏过程实际由三个过程组成：裂纹形成、裂纹扩展和裂纹扩展到快速断裂。④疲劳破坏常具有局部性质，而并不涉及到整个结构的所有细节和部位。因此改变局部设计，就可延长结构寿命，并不需要更换结构全部材料或修改其他细节设计。⑤疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征，特别是其宏观特征在外场目视检查即能进行观察，借此可判断是否属于疲劳破坏。了解疲劳破坏的特征，对结构的疲劳设计有很大的帮助！补充：几个概念(1)飞机结构的各种结构或构件在使用中所承受的载荷往往是变化的，相应地，所承受的应力也是变化的。人们把这种变化着的载荷成为疲劳载荷，把相应的应力称为疲劳应力，而把载荷和应力随时间变化的历程则分别成为载荷谱和应力谱。2.1疲劳断裂机理宏观的断裂判据的正确性应建立在对断裂的微观过程物理本质的正确了解上。因此，下面简单介绍断裂的微观机理。在单调加载条件下，实际金属和合金的断裂可分成解理断裂和迭波断裂。解理断裂是晶体严格地按某些结晶学平面的分离，没有任何塑性变形。迭波断裂是原子尺度上的滑移。在交变载荷条件下，疲劳断裂过程有裂纹成核阶段，裂纹稳定扩展阶段和裂纹临界扩展阶段。裂纹稳定扩展阶段又可分微裂纹扩展和宏观裂纹扩展两阶段，如下图疲劳断裂过程示意图(1)裂纹成核(裂纹萌生)裂纹成核是指裂纹的起始。在交变载荷作用下，在试件表面可看到“挤出”和“挤入”，相应的金属内部产生孔洞。在这里就开始形成裂纹核(如上图)。“挤出”是形成疲劳裂纹的一个条件，但不是必要条件。在疲劳载荷作用下，塑性变形的累积，由位错造成的滑移带，均与疲劳裂纹的形成有着密切的关系。表面缺陷，材料内部缺陷如气孔、夹杂物及第二相质点等应力集中处，均促进疲劳裂纹形成。(2)稳定裂纹扩展阶段(一般可分为两个阶段)第一阶段：从疲劳核心开始由滑移带的主滑移面向金属内部的扩展，滑移面的取向大致与主应力轴线成45°角。在局部区域会形成多条微裂纹，微裂纹扩展速率很慢，大部分微裂纹扩展到某阶段而终止，而某些微裂纹形成一主裂纹，则为第一阶段裂纹扩展。第二阶段：裂纹扩展平面和主应力轴线约成90°角，扩展速率加快，一般以微米每循环次作单位来计量。在断口上有明显的疲劳痕迹(即疲劳条纹)。条纹间距离和疲劳循环一次裂纹的扩展量相对应。(3)裂纹的临界扩展阶段裂纹扩展到足够的尺寸时，即裂纹尺寸达到快速扩展的临界尺寸时，裂纹出现不稳定快速扩展。构件发生断裂，此时断裂是突然快速断裂，断口表面呈粗粒状。2.2材料疲劳性能曲线疲劳破坏的三个范围2.3疲劳特性图等寿命曲线形式二几种等寿命曲线形式典型疲劳特性图2.4影响疲劳强度的因素及相应措施2.4.1影响疲劳强度的因素结构在一定的载荷作用下会发生破坏，这是静强度和疲劳强度都存在的问题，但是两者的载荷条件和破坏情况则是有原则区别的。这就是疲劳强度问题区别于静强度问题的矛盾的特殊性。应力集中、腐蚀和温度等对材料的静强度和疲劳强度都有影响，但是影响的情况和程度是不一样的。零件表面的粗糙度和零件尺寸的大小对零件的静力强度没有什么明显的影响，但是对于零件的疲劳强度则必须考虑这些因素的效应。影响结构疲劳强度的因素很多，概括起来有如下几种。()载荷特性应力状态，循环特征，高载效应载荷交变频率工作条件使用温度环境介质尺寸效应几何形状及表面形状表面粗糙度，表面防腐蚀性能缺口效应化学成分金相组织材料本质纤维方向内部缺陷表面冷硬化表面热处理及残余内应力表面热处理表面涂层通过长期的生产实践和科学试验，人们对影响疲劳强度的很多因素有了一定的认识，并且还在不断地扩大和深化这些认识。本节将简要讨论一下较常遇到的影响疲劳强度的一些主要因素。(1)应力集中的影响在实际构件中，由于结构上的要求，一般都存在截面变化、拐角和孔等。在这些形状变化处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当构件承受静载荷时，由于常用的结构材料都有一定的塑性，在破坏以前有一个宏观塑性变形过程，使构件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。因此，应力集中对于构件的静强度没有多大影响。而疲劳破坏时的情况则完全不同，这时，截面上的名义应力尚未达到材料的屈服极限，因此破坏以前不产生明显的宏观塑性变形，不出现像静载破坏前那样的载荷重分配过程。这样便使得构件的疲劳强度主要决定于最大应力附近的局部应力情况，因此应力集中处的疲劳强度往往比光滑部分低，常常成为构件薄弱环节。因此，在疲劳设计时必须考虑应力集中效应。2．尺寸效应试件和构件的尺寸对其疲劳强度影响极大。一般来说，构件和试样的尺寸增大时，疲劳强度降低。这种疲劳强度随构件尺寸的增大而降低的现象称为尺寸效应。尺寸效应是一个值得注意的问题，因为材料的疲劳强度总是用小试件来试验的，得到的疲劳强度数值就比实际使用中大部件能承受的值高，如果不加修正，是不安全的。材料尺寸效应的大小用尺寸系数来表示，它定义为11==d无缺口光滑大试件的疲劳强度无缺口光滑小试件的疲劳强度式中：1d—尺寸为d的大试件对称弯曲疲劳极限；1—尺寸为0d的标准试件对称弯曲疲劳极限。对于中低强度钢，0d常取为9.5mm；对于高强度钢，0d常取为7.5mm或6mm。引起尺寸效应的因素很多，归纳起来，可分工艺因素和比例因素两大类。大型构件的铸造质量一般都比小型构件差，缺陷比小型构件大且多，大截面零件的锻造比或压延比都比小型构件小；大型构件热处理时的冷却速度比小型构件小，淬透深度比小型构件小；大型构件机械加工时的切削力及切削时的发热情况也都与小型构件不同。上述情况，都使大型构件的疲劳强度较小型构件为低，较材质较小型构件为差。这便是工艺因素引起尺寸效应的原因。当构件的形状和材质情况相同而尺寸不同时，其疲劳强度也不相同。这种由比例因素引起的尺寸效应称为绝对尺寸效应。此外，应力梯度也是尺寸效应的成因之一。当构件上的应力分布不均匀，存在有应力梯度时，构件外层晶粒的位移，可能在某种程度上比其内层的应力较低、位移较小，从而对其外层有支持作用的晶粒所阻滞，因而弯曲试样中的应力并非直线分布，外层有一水平地段。这样，假设大小试样疲劳破坏时水平地段的深度相等，则由于小试样的应力梯度较大，从而使由直线分布计算出的名义弯曲应力比水平地段应力(等于均匀分布时的疲劳极限，即拉压疲劳极限)高出较多，而大试样的应力梯度较小，从而使其名义弯曲应力比拉压疲劳极限的高出量减少。这样，大小试样疲劳破坏时的名义弯曲应力便有所不同，小试样较高，大试样较低，因而产生了尺寸效应。值分散性较大。尺寸效应对疲劳强度的影响同材料内部结构的均匀性以及表面加工状态等因素有关，同时还同材料的强度有关。一般高强度合金钢比一般碳素钢大，铝合金的也随强度的增加而增加。在没有具体的实验数据情况下，对于承受弯曲和扭转载荷、直径在13mm～30mm范围内的钢件，可取0.85；对于承受轴向载荷的情况，可取1.0(对于缺口试件，尺寸效应可在fK中反映)；对于更大的零件，疲劳强度可能会更低一些。对于310的疲劳寿命，一般认为尺寸效应不大，可不考虑。以310的作为一点，以疲劳极限处的值作为一点，在对数坐标上连成一条直线，就可近似地作为对SN曲线的尺寸效应修正。3．表面质量的影响疲劳裂纹常常从零件的表面开始，因为最大应力一般发生在零件表面层。另外，在表面层缺陷也往往最多。所以，金属零件的表面层状态对疲劳强度会有显著的影响。通常表面层状态系指表面加工粗糙度、表面层的组织结构及应力状态等。大量试验研究结果指出，试件的表面粗糙度对疲劳强度有一定影响。一般说疲劳强度随表面粗糙度的提高而增加。反之，如果表面加工越粗糙，疲劳强度的降低就越严重，而且这种影响通常对强度越高的钢越明显。表面粗糙度对疲劳强度的影响可用表面敏感系数来表示，即某加工试件的疲劳强度磨削试件的疲劳强度图4.9是在几种不同加工方法下，表面敏感系数随强度极限b的变化情况。从图可以看出，b越高，越需要注意表面加工的粗糙度。如果我们使用高强度优质合金钢而又不注意表面粗糙度，就会使优质钢白白浪费掉。4060801001201400.00.20.40.60.81.01.24532b/9.8MPa1图4.9几种加工方法随b的变化1-抛光(0.050aR)；2-磨削(0.1000.20aR)；精车(0.401.60aR)；4-粗车(3.212.5aR)；5-轧制(未加工表面)4．使用环境的影响飞机结构并不总是在常温和空气中工作的，实验室研究和外场实际使用表明，使用环境对构件疲劳强度有着不可低估的影响，因此，越来越多的学者开始将各种环境下的疲劳问题作为一些特殊疲劳问题来研究，得到了一些极为有用的结论，下面就一些重要的环境因素对疲劳强度的影响分别作一简介。1)腐蚀疲劳金属材料在循环应力和腐蚀介质联合作用下引起的疲劳破坏，称为腐蚀疲劳。腐蚀介质对疲劳性能的影响在20世纪初已被人们注意到了，到了两次世界大战期间已有广泛研究，近年来随着航空工业的发展，腐蚀疲劳受到了更多重视，并有了很大的进展。由于腐蚀作用使金属表面变粗糙，形成很多坑穴、缝隙等应力集中点。因此，后来承受变应力的疲劳强度就大大降低。应该指出，在交变应力作用的同时又受腐蚀的情况，对疲劳强度的不利影响更为严重。对于腐蚀疲劳，叠加原理是不适用的。在这样的情况下，材料对于复合环境的基本抗力主要取决于材料对腐蚀的抗力。这也就是说，增加材料对腐蚀的抗力比增加其疲劳强度更为重要。腐蚀对疲劳强度的影响可用腐蚀系数2来表示，即2腐蚀环境下材料的疲劳极限空气中光滑试件的疲劳极限腐蚀疲劳强度与腐蚀介质的种类有很大影响。试件在空气中和在真空中的疲劳强度也有很大的差别。这表明从某种意义上讲，空气也是一种腐蚀介质。我们通常所说的在空气中(实验室内)做试验，是指在干燥的空气中进行的试验。在这种情况下，空气的腐蚀作用比较小。就是同一种腐蚀介质，若作用的方式不一样，金属腐蚀疲劳强度也不一样。如一个试件完全浸在盐水中做试验，或用浸透盐水的湿布贴在试件表面做试验，以及试件在盐雾中做试验，三种情况下的腐蚀疲劳强度都不一样。试件在盐雾中做试验的疲劳强度最低，这与盐雾中含氧比较多有关系。2)擦伤疲劳(微动疲劳)腐蚀疲劳中的一种特殊形式是：在重复载荷作用下，互相接触的表面存在着相对运动，而这种相对运动是有限的，相对位移量是很小的(如几十微米)。这种情况下的腐蚀疲劳被称为擦伤疲劳、擦伤腐蚀或磨蚀疲劳，也有的称为微动疲劳或微动擦伤疲劳。凡是存在接触表面的工程结构，配合零件之间的小量相对位移都会发生擦伤疲劳。因为擦伤疲劳与装配应力、偏心、表面残余应力等多种因素有关，所以通常不易进行理论计算。目前，研究它的主要方法是通过试验。从擦伤的机理来看，擦伤同零件之间的相对位移有密切关系。另外，擦伤过程同氧化过程有关，所以氧的存在会加快擦伤疲劳。要