飞机结构强度设计研究

张伟 周帆 杨建江

摘 要：飞机结构是一个复杂的系统工程，如何将机械产品在使用周期内安全服役，满足设计使用要求，一定时间范围内发挥其功能，引入强度设计技术显得更为重要。本文研究了强度设计技术在飞机结构件产品设计中的应用。

关键词：飞机结构 强度 设计

中图分类号：V215 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0096-02飞机结构强度是指在规定的力学环境下飞机结构不会发生破坏和保持安全工作的能力。在飞机设计过程中，为了提高飞机的整体机构强度，设计人员需要针对不同的载荷环境以及不同的结构动态响应分类解决结构强度问题。目前，飞机结构强度研究领域主要包括静强度、动强度与气动弹性不稳定性、疲劳/断裂和损伤容限等。就我国现有情况，强度设计技术在使用深度和应用效果方面远未达到应有的程度。强度优化设计技术是一种具有可以人为控制、无破坏性、允许多次重复修改、不受外界条件限制等优点的综合性试验技术，能够较大提升产品研发效率和质量，节约科研经费，节约试验费用，同时缩短产品研制周期。本文就飞机结构强度涉及的强度问题分别做详细探讨。

1 静强度

在飞机设计领域，静强度是指飞机结构在一定条件下承受最大静载荷而不发生破坏且能安全使用的能力。其中，最大静载荷是指飞机在允许的地面和飞行使用中能产生的最大和最严酷的叠加载荷：极限载荷是指限制载荷乘以不确定系数，以极限载荷作为设计依据，在使用过程中即使结构发生破坏，破坏风险也可降低到可接受的水平；破坏载荷是指在给定的载荷工况下，飞机结构发生总体破坏时的载荷。

1.1 静强度分析

静强度分析主要包括应力分析、应变分析、变形分析及静力稳定性分析，并进而对强度、刚度和稳定性要求进行校核。一般认为载荷是以极其缓慢的速率作用到受力体上，且不考虑载荷的往复循环作用，不考虑材料的动态性能，结构没有动态响应，对结构的惯性力同样进行静载荷处理。

1.2 静力稳定性

静力稳定性是指结构在小于临界静载荷的载荷作用下处于平衡状态，当受到微小载荷扰动时，在扰动载荷消失后仍可恢复原有的变形而不继续扩大，保持原有的稳定平衡状态。当结构承受临界静载荷时，如果给予一个小的载荷扰动，会使变形增加很大，使整个结构失去稳定性，结构的承载能力显著下降甚至完全失去承载能力。

2 动强度与气动弹性不稳定性

动强度是指结构在动态载荷和动力环境下，承受振动和冲击而不破坏并保持安全工作的能力。飞机飞行过程中的动载荷和动力环境比较复杂，具有不确定性，主要包括如下方面。

2.1 振动的动载荷

振动的动载荷有两种：突风和晃振。突风，指在2～3km高度以下，法向和侧向的突风在引起结构附加载荷的同时会引起引起结构的振动抖振，飞机在急剧机动飞行时，一个部件上自身气流发生分离而产生自身的强迫振动，或由此分离气流引起另一个部件产生强迫振动。晃振，在机动飞行、油箱充压及燃油晃动下，引起脉动压力产生结构振动。此外还有如发动机、螺旋桨本身是机体重要的振动源，机载设备和系统中的电机、泵、液压机等振动源引起的振动。

2.2 冲击的動载荷

主要有两类：第一类，离散源撞击，主要包括如飞鸟撞击、发动机碎片、地面碎石、冰雹、弹片等的撞击。第二类来自武器发射器或货物投放，航空器着陆（或着水、着舰）、滑行和地面机动等冲击载荷，上述动载荷和动力环境通过结构及相关系统固有的动力学特性产生的过大产会导致结构破坏或发生动态疲劳损伤，影响结构的强度；还会导致机载设备、系统发生功能失效或损坏，严重影响飞机的安全。

2.3 气动弹性不稳定性

空气动力与弹性结构（如飞机、航空器）相互作用引起结构的变形或振动，当空气动力能量超过结构变形的能量，使变形不断加大或空气动力能量超过结构与空气动力阻尼耗散的能量使振动不断加剧，气动弹性就从稳定到进入不稳定状态。气动弹性可分为静气动弹性、动气动弹性、气动伺服弹性和热气动弹性。

2.4 疲劳断裂

疲劳断裂包括裂纹形成阶段和裂纹扩展阶段，结构本身飞机在重复载荷、载荷环境变化作用下，由微小缺陷扩展形成微裂纹，随着载荷不断作用，最后形成疲劳裂纹甚至破坏。随着飞行次数不断增加，裂纹的继续扩展使承载能力逐步下降，直到进入快速裂纹扩展达到临界裂纹时发生断裂破坏，使整个结构丧失承载能力。裂纹形成寿命通常是指将裂纹达到可检尺寸之前的寿命，而裂纹扩展寿命是指裂纹从可检裂纹尺寸开始到断裂的寿命。

裂纹出现和扩展的主要原因是结构受到重复载荷造成的，重复载荷源很多，主要有地面发动机开车、牵引滑行、着陆、着舰、弹射起飞、机动飞行和突风、操纵系统工作、座舱增压、抖振和地形跟踪飞行等。重复载荷较为复杂，通常我们用载荷谱来计算重复载荷情况。载荷谱，是指结构所承受的载荷随时间变化的历程，通常由各种载荷大小、分布及相应的频率按出现先后次序排列而成或由随机载荷过程的统计特性来表示。在疲劳设计或试验时，通常根据疲劳损伤等效原则将实际载荷谱简化成便于表达的简单载荷谱。载荷谱的种类也很多，常见的载荷谱有：等幅谱、程序块谱、随机谱、飞续飞谱等。

3 强度设计的作用

3.1 让数字化设计成为可能

强度产品设计是一个迭代完善的过程，尤其对于飞机、悬挂发射装置、导弹等集各种先进科技成果于一体的产品，设计结果都需要进行反复多次的地面试验，才能验证设计结果能否符合要求。在引入强度设计获得大规模应用之前，大部分试验都是依靠产品样机进行的，不仅成本高昂，而且试验一旦失败，对后续设计将会产生极大影响，无形之中增加研制成本，研制周期也得不到保证。随着强度设计技术应用到产品设计环节，推动设计向数字化模式转变，这个问题终于得到了解决。

3.2 降低设计成本

20世纪90年代，数字化设计与验证理论引入到机械产品设计中。数字化验证是通过对产品的零部件进行统一的数字化建模和仿真，用虚拟现实技术，在设计过程中实现产品结构的静强度技术设计、动强度技术设计、气动载荷仿真等，能及时发现结构设计缺陷，以此提高制造质量，具有快速响应、充分利用资源、超越空间约束等特点。对于航空悬挂发射装置领域的产品而言，产品外形、布局设计都与性能指标密切相关，在设计过程中如果能及时发现缺陷，进行设计优化，就能大幅降低研制成本，避免走弯路。

3.3 快速准确定位故障原因

机载武器装备是飞机的重要组成部分，直接决定其战斗能力。在严酷的试验过程中，经常会出现振动裂纹、冲击破坏、静力变形过大等诸多问题，这些故障的出现只靠工程师经验或者试验很难发现其根本原因。飞机装备制造是一个国家高精尖技术的集中体现，在飞机飞行过程中，及时对装备进行装备预示和诊断，在数以万计的高精密零部件中进行精确定位，准确预估故障级别，以便进行运行时故障排除或地面维修淮备。利用计算机强度分析技术，引入强度分析后，能够快速还原故障现象，准确定位故障原因，快速排除故障，是保持战斗力的重要保证。

4 结语

在国际军事实力竞争越来越激烈的今天，强度设计技术引入飞机设计中势必会减少设计成本，降低研制费用，提高飞机的整体作战性能。随着计算机技术快速发展，飞机结构件机械产品强度设计越来越为重要地摆在每一设计师面前，将是未来机械设计发展的主旋律。而且高性能计算机的出现为复杂机械系统比如飞机结构件的强度设计分析提供有力支撑，两者相辅相成，必将不断促进飞机结构强度的飞速发展。

参考文献

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