材料也疲劳

刘　林

我们都有这样的生活经验。一段铁丝，弯一次一般不会断。但是反复弯折，铁丝迟早就会断开。这是什么原因呢?这里面就涉及到材料的一个基本特性——疲劳。材料的疲劳是由交变载荷导致的。更确切的说，是由于材料中应力状态的改变而产生的。应力大小、方向的改变都会导致疲劳。我们还是拿弯曲铁丝做例子，让我们看看铁丝是怎样被弯断的。当我们用双手弯曲铁丝时，铁丝上表面的材料处于拉伸应力中，而下表面材料处于压缩应力中。当弯曲的方向改变时，铁丝的受力状态刚好相反，这时铁丝上表面的材料处于压缩应力中，下表面材料处于拉伸应力中。由于我们反复的弯曲铁丝，铁丝上下表面不断的处于拉伸-压缩-拉伸这样的交替应力中。材料在这种反复应力状态下的强度要低于静止应力状态下的强度。当达到一定的弯曲次数后，铁丝就断了。反复应力状态下的材料强度就是材料的疲劳强度。静止应力状态下的材料强度就是材料的极限强度。材料的疲劳强度低于极限强度。这就是为什么我们不能一下把铁丝弯断，而要反复弯曲。

材料的疲劳有两个主要特性。第一是应力越大，寿命越短。好比一根铁丝，反复弯曲得越厉害，断裂就越迅速。这是符合我们生活直觉的。你反复弯曲一根铁丝越厉害，使铁丝断裂所需要弯曲的次数越少；第二是疲劳寿命具有累积性。比如，一根铁丝在弯曲一千次的时候会断裂。如果你今天弯曲了一百次，感觉累了，就把它放到一边。第二天你休息之后又有力气了，接着弯它。那么你需要再弯曲它多少次铁丝才会断裂呢?是不是铁丝在休息了一夜之后，寿命又恢复到了一千次?不是的。由于你在前一天已经弯曲了它一百次，你只要再弯曲它九百次它就会断裂了。这就是材料寿命的累积性。

固定翼飞机的材料疲劳问题

可以说诸如建筑、汽车、轮船和飞机上所要承受载荷的结构都要遇到材料疲劳的问题。但是在航空上，材料的疲劳更是一个尤其重要的问题。为什么呢?有两个主要原因。第一，因为重量对飞机来说是一个非常关键的设计参数。为了使得飞机有更好的性能和更大的载重量，飞机设计人员要尽他们所能降低飞机的结构重量。这就要求飞机的结构部件尺寸尽可能的小。在相同载荷下，一般来说部件尺寸越小，部件所要承受的应力越大。我们上面提到的材料疲劳的第一个特性就是应力越大，寿命越短；第二个原因是由飞机的受力特性决定的。飞机要比其他运输工具有更大的过载——即加速度。比如在飞机降落时，飞机的起落架要承受很大的过载。另外对战斗机来说，灵活的机动性要求飞机可以做高达好几倍重力加速度的过载。可以想象，这对飞机的承力结构来说提出了很高的强度要求。综合这两方面，我们说材料疲劳在航空领域是一个非常重要的问题。可以说，疲劳是不可避免的，就像一切生物的寿命都是有限的一样，材料的疲劳寿命也是有限的。工程师的任务之一是尽量保证飞机部件的结构疲劳寿命长于飞机的使用年限，也就是说保证飞机在使用年限中结构的安全性。

人们对飞机材料疲劳特性重要性的认识是通过惨痛的事故才逐步认识到。1949年，“彗星”号喷气式客机进行了首飞。这是世界上第一种投入生产的喷气式客机，由英国的德·哈维兰德公司开发生产。在投入运营之前，这种飞机经历了当时民航客机所经历的最为严格的各项测试。其中一项是飞机舷窗的静力测试。试验显示飞机舷窗框架结构可以承受的压力超过运营中将要遇到的最大压力十倍以上。看样子舷窗是足够坚固了。

由于性能优异，“彗星”客机从上世纪50年代初投入运营后受到了客户的广泛欢迎，成为了当时的热门产品。但是在1954年的前半年里，连续发生了两起“彗星”机毁人亡的严重事故。第一次事故发生在1月。人们只是觉得这是个意外，还没有引起足够的重视，所以就没有进行全面深入的调查。“彗星”飞机照样执行航班任务；5月份发生了第二起事故。第二起事故中，飞机空中解体，掉到了海里。这下子人们开始重视了。“彗星”客机全部停飞。当时第二次出任英国首相的温斯顿丘吉尔命令皇家海军打捞飞机残骸，一个大调查委员会开始对这两起事故进行彻底调查。

调查人员将“彗星”飞机的机体框架进行反复的加压一减压试验。在3057个周期之后，飞机前面逃逸舱门处的金属结构疲劳断裂了。调查人员进一步发现飞机方形舷窗拐角处的应力比事先想象的要大，除此之外，飞机蒙皮中的应力也超过了预期。还有一个不容忽视的因素是在舷窗的安装中使用了冲击铆接方法。和钻孔铆接不同，在冲铆的过程中，铆钉孔周边会出现一些缺陷。这种缺陷往往成为材料断裂的发源地。所有这些因素通过反复加压-减压导致的金属疲劳的形式反映出来，最终造成了飞机结构的断裂，导致了惨剧的发生。

为什么要给飞机加压减压呢?加压一减压又是怎样导致金属疲劳的呢?我们知道大气压随着高度的增加而降低。人类最适于在一个大气压下生活。如果压力降低，人会感到不适，如果压力过低，甚至会有生命危险。所以飞机在高空中要给座舱增压，保持乘客和机组的舒适和安全。一般以3000米为界。飞机高度超过3000米，就要给飞机座舱增压。坐飞机时我们都有这样的体验。当飞机上升时，我们耳朵里面会稍稍有不太舒服的感觉。这就是由于外面大气压降低导致的。当飞机停在地面时，飞机内外的气压一致，舷窗周围没有过多的应力。这时飞机就像一个瘪了的气球。当飞机飞入高空后，外面的气压低，内部由于增压，气压比外面的高。这样，飞机的舷窗被内部的高压向外推。这时的飞机就像一个吹鼓了气的气球。舷窗周围的结构中就产生了应力。从疲劳的角度说，飞机要是这么一直在天上飞也罢了，可是飞机还要降落。飞机降落之后，内外压强又一样了。这个鼓了的气球又瘪了，舷窗周围结构中的应力又消失了。然后飞机又起飞，应力又出现了。正是加压一减压过程中导致的飞机结构中应力的有无引起了金属的疲劳。实际上，加压一减压导致的疲劳属于地面-空中-地面疲劳的一种。地面-空中-地面疲劳是飞机的一种主要低频率疲劳。可以说，飞机的所有承力结构部件都要经受这种疲劳的折磨。比如机翼——在地面时，飞机的机翼只需要承受机翼本身的重量。此时的机翼可以看作一个放松的皮筋；飞机升空之后，如果是水平直线飞行，机翼就要承受飞机全部的重量。实际上在飞行过程中，飞机相当于挂在两个机翼上。此时的机翼可以看作一个绷紧的皮筋。飞机降落后，机翼又只要承受自己的重量了。绷紧的皮筋又放松了。这种放松-绷紧-放松就导致了机翼的地面-空中-地面疲劳。

直升机的疲劳问题

前面笼统的提到了飞机结构的疲劳问题。对于飞行器里面的特殊种类——直升机来说，疲劳问题更为严重。为什么呢?主要有两方面的原因。一是直升机特有的

桨叶周期受力特性；二是直升机的不稳定性。这两个因素都会导致结构材料的高频率疲劳。

上面提到的地面-空中-地面疲劳由于是由飞机的起降次数决定的，被称为低频率疲劳。还有一种飞机疲劳叫做高频率疲劳。和地面-空中-地面的低频率疲劳相比，这种疲劳的频率高，通常和飞行器的运转直接相关。还是拿铁丝作为例子。我们已经讲到了向一个方向弯铁丝，铁丝的一面受到拉伸，另一面受到压缩。现在让我们设想这样一个情景。保持对铁丝的弯曲不变，同时开始将铁丝沿着铁丝的纵轴旋转。这时会发生什么呢?可以想象，由于铁丝的旋转，铁丝表面上的某一个固定点一会儿受压力，一会儿受拉力。处于交变应力下，铁丝处于疲劳状态。实际上这根铁丝可以被看成是飞行器上一根旋转轴的模型。和地面-空中-地面疲劳这种缓慢发生的疲劳相对比，这种和飞机部件旋转相关联的疲劳就被称为高频率疲劳。

为什么说直升机的高频率疲劳要比固定翼飞机严重呢?这要从飞行器的受力情况谈起。固定翼飞机只是靠机翼提供升力，但是对直升机来说，旋翼(俗称螺旋桨)既要提供飞机的升力，还要提供飞机克服阻力飞行的推动力。如果你注意一下直升机的构型，就会发现直升机的旋翼由多片桨叶构成。不同种类的直升机桨叶数量不同，从最少的两片到最多的八片不等。直升机桨叶数目的多少是在综合考虑多方面设计参数后确定的。四片桨叶的旋翼是很多中型直升机的选择。以四桨叶旋翼直升机为例，让我们简单分析一下直升机桨叶在飞行中的受力状态。在直升机前飞时，一侧的桨叶旋转方向和飞行方向一致，被称为前行桨叶。另一侧的桨叶旋转方向和飞行方向相反，被称为逆行桨叶。前行桨叶对空气的相对速度要大于逆行桨叶对空气的相对速度。空气动力学告诉我们，升力和吹过桨叶的空气速度平方成正比例。如果前行桨叶和逆行桨叶的空气迎角一样，那么前行桨叶就要产生大于逆行桨叶的升力。这种两侧升力的不平衡会导致直升机倾斜。因此就要求直升机在桨叶的旋转过程中能够对桨叶的迎角进行调整。在桨叶处于前行时，减小迎角，在桨叶处于逆行时，增加迎角。因为有四片桨叶，在旋翼旋转一圈的过程中，就会在直升机上产生四次载荷的变化。同时，对直升机来说，主旋翼桨叶产生的涡流漩涡会和直升机的尾梁和尾桨发生作用，产生振动。对于有四片主桨叶的直升机来说，尾梁和尾桨在主桨旋转一圈的过程中，会遇到四个尾流漩涡，从而产生四次振动。这种每圈四次的载荷和振动就导致了直升机的高频率疲劳。做个比喻，如果说固定翼飞机的飞行相当于一辆在平坦的地面上滑行的自行车的话，直升机就相当于在一个坑洼不平的路面上颠簸前进的自行车。你说，哪个自行车坏得更快呢?

直升机的高频率疲劳比固定翼飞机严重的第二个原因是直升机固有的不稳定性。这个问题是由固定翼飞机和直升机各自的特性所决定的，讨论起来要复杂些。还是做个简单的比喻吧。如果说固定翼飞机的驾驶员是在平坦的路面上行走，直升机的驾驶员就是在走钢丝。从动力学的角度来说，大多数固定翼飞机都是稳定的，而直升机都是不稳定的。由于直升机特有的不稳定性，驾驶员的手脚要一直协调运动，才能将直升机保持在正常的姿态下。这导致了直升机结构中要经受不断变化的交变载荷。和地面-空中-地面疲劳相比，这种交变载荷引起的疲劳也属于高频率疲劳。不过，有失必有得。一般来说，直升机具有固定翼飞机无法比拟的机动性。

综合以上两个因素，直升机的高频率疲劳比固定翼飞机要严重。严重的高频率疲劳，加上地面-空中-地面低频率疲劳，所以疲劳问题对直升机来说更为严重。

如何减小疲劳造成的损害

前面提到了材料的疲劳不可能完全避免，那么有没有延长材料疲劳寿命，增加疲劳强度的方法呢?有很多。其中很重要很有效的两个方法是减小应力集中和减小材料的缺陷。严格来讲，减小材料的缺陷也是减小应力集中的途径。我们在前面关于“彗星”事故原因的讨论之中实际对这两个问题都有所涉及。我们谈到“彗星”飞机的舷窗是方形的，在拐角处应力很大。这就是应力集中。我们再以受相同拉力的两根铁棒为例，其中一根棒的中心有一个圆孔。那么在这两根棒中心处的横截面上，应力分布是什么样的呢?其实，在没有圆孔的均匀棒的横截面上，应力是均匀分布的。而在有圆孔的棒通过圆孔的横截面上，应力的分布不再是均匀的了。在靠近圆孔的位置应力高，远离圆孔的位置应力低。在圆孔边缘的应力最高，这里的应力要高于均匀棒的平均应力。离圆孔最远位置的应力最低，这里的应力要低于均匀棒的平均应力。这就是应力集中现象。应力集中一般是由于材料的外形不连续造成的。像棒里的洞，或者材料的拐角处。由于材料的疲劳寿命是由材料中的最高应力决定的，所以应力集中通常会降低材料的寿命。“彗星”飞机方形舷窗拐角处的应力集中使得飞机疲劳寿命降低。所以在“彗星”之后的飞机中，舷窗的形状都改成椭圆形或者圆形。下次你坐飞机的时候可以注意一下舷窗的形状。我们在讨论“彗星”事故调查的时候还提到了舷窗的安装采用了冲击铆接的方式。这种方法会造成铆钉孔周围缺陷的产生。在材料的缺陷处会出现应力集中。另外，从断裂力学角度讲，这些缺陷通常是裂纹产生的发源地。

减小应力集中可以通过改变设计来实现。在飞机部件的设计中，要尽量避免外形的突然变化。如果外形有突然的变化，设计者要考虑由此产生的应力集中对疲劳寿命的影响。减小材料的缺陷可以通过改变和控制材料的生产和部件的生产加工过程来实现。增加材料的疲劳强度和疲劳寿命还有一些其它的办法。由于篇幅所限，我们就不一一讨论了。

最后谈一谈在飞机的设计开发和生产中是如何考虑材料的疲劳寿命问题的。设计师在设计飞机部件时首先要选定材料。在这个过程中要考虑很多因素。其中之一是材料的疲劳强度。简单的讲就是这种材料在一定的载荷下能够经受多少个加载，卸载的载荷周期。这种数据只能够通过材料的疲劳试验来获得。材料的疲劳试验一般使用材料样本试件。试验员将试件安装在疲劳试验机上，设定静载荷以及动载荷的范围，并且设定动载荷的频率，然后开动试验机。试验机通过液压作用，将交变动载荷施加在试件上，同时开始对动载荷的施加次数开始计数。这种试验可以自动进行下去，直到试件断裂。这时试验员记录下试件在断裂前所累积的动载荷次数，如此就获得了一个数据点。他可以改变动载荷或者静载荷的大小，开始另外一次试验以获得另外一个数据点。由于材料的疲劳强度或者寿命具有统计特性，所以一般在一种载荷的条件下要对很多相同的试件进行测试。这样经过一系列的疲劳试验，我们就得到了材料试件的疲劳分布曲线。飞机设计人员根据这些疲劳分布曲线来决定所设计的部件是否能够满足疲劳寿命的

需要。

我们通过材料的试件疲劳试验得到了材料疲劳寿命分布曲线。但是要想保证飞机的安全，光有试件试验还不够。在飞机正式试飞前，还要对飞机的重要承载部件进行全尺寸部件疲劳试验以获得部件本身的疲劳参数。比如，直升机的尾传动轴要在飞机试飞前进行扭转和弯曲的疲劳试验。试验的办法是将实际的传动轴安装在疲劳试验台上，逐步增加动载荷，直到传动轴断裂。有了这些试验，飞机设计人员就具备了对飞机各个部件的疲劳寿命比较可靠的数据。但是单独依靠试验获得部件疲劳信息，也有它的缺陷。什么缺陷呢?费用高，时间长，另外还有一个不容忽视的就是对试验本身的合理性和可靠性缺乏有效的验证手段。飞机的部件，尤其是主要承力部件，都是非常贵重的。一般来说，疲劳试验光测试一个部件不够，所以费用高；时间长。一根传动轴的疲劳试验可能要长达一个星期；另外，如果在试验过程中有错误产生，不太容易被立即发现。为了对付这些缺点，现代飞机设计中广泛采用了结构分析这一方法。在结构分析中，有一种被称为有限元分析方法的计算方法。这种采用了微积分中“化整为零”概念的非常有效的力学分析方法在计算机技术迅速发展之后成为了一种非常方便的工程手段。飞机结构工程师在计算机中建立飞机部件的有限元模型，计算机迅速求解。通过这种数字模拟，飞机部件在载荷下的应力状态一目了然。在获得部件应力之后，结构工程师可以参考材料的疲劳数据计算出部件的寿命。如果计算出的寿命和试验中得到的寿命一致，那么这个试验数据的可信性是非常高的。如果不一致并且相差很远，那么两者之中要么一个有问题，要么两个都不可信。就要找原因。一般来说，对于单向应力状态的部件疲劳寿命计算，计算机模拟可以提供和试验数据非常近似的结果。采用计算机模拟计算疲劳寿命具有费用低，速度快的优点，对疲劳试验还可以进行进一步的验证，所以已经成为现代飞机开发中不可缺少的有力工具。在某些情况下，计算机模拟甚至在某种程度上可以完全取代疲劳试验。

在这里，我们只是简单的介绍了一下材料疲劳和航空里面的材料疲劳问题，谈到了和固定翼飞机相比，为什么直升机的疲劳问题更为严重。讨论了增加疲劳寿命的方法以及在现代航空领域是如何对付疲劳问题的。本文对这些问题中任何一个的论述都只涉及到一些皮毛，但是也是很重要的皮毛。对任何问题的认识都是～个积累的过程。我们今天可以对材料疲劳有比我们的前辈更多的了解正是因为他们已经作了他们的工作。今天我们也同样有很多问题没有认识，包括疲劳问题本身，还有很多未知的领域。希望有更多的朋友们加入到航空这个领域来不断探索。

责任编辑：新浜