飞机结构疲劳寿命指标分析

2016-11-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

从现代飞机设计思想的发展演化和确定飞机结构疲劳寿命指标的重要性分析入手,研究分析了国外多种战斗机结构使用寿命问题,深入探讨了这些战斗机在确定机体结构寿命指标时的内在因素和实际方法,提出了确定飞机结构寿命指标的具体原则和研究结论。

早期设计的飞机并没有明确的寿命指标。到了20世纪50年代,人类历史上第一架喷气式旅客机英国"彗星"号在飞行中,接连发生爆炸坠海事故,一时引起世界震惊。经研究是飞机气密座舱因飞行高度变化,不断受到增压、减压循环作用,导致机身金属结构出现疲劳效应而断裂破坏所引起的。这说明,按照静强度、刚度设计的飞机,并不能保证其使用安全,飞机设计中必须考虑安全使用寿命问题。最初,解决这一问题的指导思想就是采用安全寿命设计。但是真正采用了安全寿命设计思想以后,还是不断有飞机出现事故。1969年,美国空军的一架F-111飞机机翼枢轴接头,在飞行训练中突然断裂,造成机毁人亡。当时飞机仅仅用了 100多个飞行小时,远没有达到安全寿命使用期。此后,F-5A、KC-135、F-4等飞机接连发生类似事故。进一步证明了采用安全寿命思想设计的飞机并不能保证在安全期内的使用安全。随着结构分析、理论研究水平的不断提高,特别是断裂力学理论的应用与发展,人们开始提出了损伤容限设计思想,就是在飞机设计中采用安全寿命/损伤容限设计,以保证飞机在使用寿命周期内的使用安全。随着对飞机高性能、长寿命、高可靠性以及完整性要求的不断提高,飞机的研制成本和使用维护费用急剧增加。为此又提出了全寿命周期费用概念,并在飞机设计阶段就采取有效措施以降低飞机的全寿命周期费用。因此,在飞机设计和使用中采用了经济寿命概念,从而形成了耐久性设计思想。
通过飞机设计思想的不断变化,不仅提高了飞机的使用安全性,大大降低了飞机的结构重量, 同时也提高了飞机的使用经济性。特别是耐久性/损伤容限设计思想提高了飞机结构分析的精确性,降低了结构寿命的分散性,提高了飞机服役期间的安全性和可靠性,使得现代飞机的结构寿命指标得以大幅提高。

一、飞机结构寿命指标研究的意义

飞机机体结构寿命是衡量飞机平台设计技术水平和使用经济性的重要技术指标。结构重量系数低、飞行小时和使用年限长的飞机不仅服役时间长,出勤率高,而且具有更好的技术性能和使用经济性能。因此实现低结构重量系数、高飞行小时和长使用年限是飞机结构设计技术不断追求的技术目标。实现这一目标是要靠飞机的安全寿命/破损安全设计、安全寿命/损伤容限设计和耐久性/损伤容限设计等先进的飞机结构设计思想来保证的。
过去,战斗机的安全寿命只有1000~2000飞行小时,20世纪 70年代提高到了3000~4000飞行小时,80年代后期达到了6000~8000飞行小时。对于大型运输机、轰炸机,甚至达到了几万飞行小时。飞机的日历使用时间也从10年、15年、20年提高到了30年。
在飞机使用寿命不断提高的同时,飞机结构重量系数则不断降低,使飞机的有效载重增加,性能不断扩大。随着飞机性能的不断提高,飞机采购成本增大。为保证飞机使用的经济性,就需要不断提高飞机的使用寿命,而过高的使用寿命又会对飞机的使用安全构成威胁,因此,科学合理的确定飞机结构寿命就非常重要。

二、国外飞机机体结构疲劳寿命指标分析

1.国外三代以前战斗机结构疲劳寿命指标分析
飞机结构重量系数和机体结构寿命指标是从不同角度衡量飞机机体结构的技术指标。重量系数主要保证飞机的技术性能,结构寿命则体现飞机的使用年限和飞行强度。重量系数和结构寿命具有相互制约、相互影响的作用。随着飞机载油量、载弹量的增加,飞机结构在全机重量中的比例必须得到有效控制,否则,飞机性能难以保证。同时,结构重量系数高的飞机使用经济性也会较差。
国外第三代战斗机虽已达到8000小时的结构寿命指标,但是飞机的结构重量系数却超过了30%,在第四代战斗机上的结构寿命虽仍旧是8000小时,但飞机的结构重量系数却降低到了27.8%,因此飞机的载油量、载弹量增加,性能得到大幅提高。
飞机结构重量系数和机体结构寿命指标的提高会受到一定的限制,这些限制主要是当时本国的技术实力和使用需求。在具体指标确定时可以通过权衡,用规范或技术要求的形式提出。当然,由于不同国家的技术实力和使用需求不同,在战斗机机体结构寿命指标的要求上也会有一定差异。如俄罗斯、英国、法国等对飞机机体结构给出的寿命就相对于美国偏低。上表列举了国外一些三代以前战斗机的结构寿命情况。
从上表中我们可以得出以下结论:
(1)20世纪80年代以前,国外战斗机的使用寿命基本上为3000~4000飞行小时。80年代以后,战斗机的使用寿命增加到6000~8000飞行小时。
(2)飞机的飞行小时使用寿命与装备时间之间并不是线性关系,而是一种阶梯形递增关系。
(3)飞机的飞行小时寿命大多不是一次给出,而是分阶段给出的。
(4)不同国家的战斗机的使用飞行小时差别较大。如美国在80年代以后,飞行小时基本上都按照8000小时设计,而英、法国等国家飞机的飞行小时只有5000~6000小时。
2.国外第四代战斗机的结构疲劳寿命指标分析
国外第四代战斗机结构寿命也采用分阶段给出的方法。如美国的F-22,最初验证机型(YF-22)的结构寿命只有6000飞行小时,到后来定型状态才给出8000飞行小时。俄罗斯的米格1.44和C-37的结构寿命虽然不详,但从俄罗斯飞机的一贯做法分析,也会是分阶段逐步延长给出。
3.形成战斗机结构寿命指标差别的主要因素分析
(1)飞机结构寿命决定于多种技术因素,只有相关技术都有所发展,才能为提高飞机寿命提供支撑,任何单一技术发展并不能明显提高飞机的机体结构寿命。所以提高飞机结构寿命往往需要较长的周期。而这种提高总是呈现一种阶梯形递增关系。
(2)飞机结构寿命最终是要靠全机结构疲劳试验和飞机装备以后的实际使用情况来决定。在飞机设计之初,往往只能根据以往机型经验和理论计算预估(如疲劳寿命预估等),很难精确给出可信的新机寿命指标。因此,国内外对飞机结构寿命都不是完全依靠理论分析和经验给出,而是在试验与工程应用的基础上分阶段给出。
(3)在新技术发展成熟以后,要达到飞机设计寿命的提高,必须要有相应的结构设计规范来保证。美国在20世纪70年代以前采用的是1960年颁布的MIL-A-8866标准。该标准对飞机结构的寿命设计要求为3000~4000小时。到了80年代以后,美军开始采用MIL-A- 1530标准,该标准对飞机结构寿命指标则提出了6000~8000飞行小时。
(4)飞机结构寿命指标是一个综合性指标,它不仅包括飞行小时和使用日历年限,还包括飞行起落次数,同时飞机的结构寿命与飞机的结构重量系数也密不可分。因此确定飞机机体结构寿命时必须将这些因素综合考虑。任何只强调某一单项指标的做法都是不科学的。不同国家的航空技术水平不同,飞机设计采用的材料不同,设计技术不同,设计准则不同,对飞机的使用强度要求不同,因此对结构寿命的要求也就会不同。
(5)设计观念上的差异
美国在飞机设计技术上,基础好、创新性强,观念新, 对飞机寿命的理解和把握比较超前,一些新的设计思想、新的设计理念往往首先被采用,因此飞机的结构寿命要求较高且技术上能够达到,从飞机的使用来看,虽采用8000飞行小时寿命还是不能满足军方的使用需求。而俄罗斯、英国、法国等则比较保守。如法国的幻影2000飞机只给出了5000飞行小时寿命。

三、确定飞机结构疲劳寿命指标的基本原则

飞机结构寿命并非越高越好。过分强调飞机结构寿命要求,必然会对飞机的技术性能产生影响,同时也会提高飞机的生产成本。因此,确定飞机的结构寿命应从需求和可能两个方面权衡。具体原则如下:
   (1)充分考虑装备需求,适应未来的作战、训练要求随着装备训练体制改革,战斗机的飞行训练更加贴近实战,战斗机的飞行训练强度和难度越来越大,所以不能简单地以现有飞行训练情况来规划20年以后的飞行情况,应有一定的超前性和预见性,以保证装备服役以后能够满足未来的作战、训练要求。
   (2)立足国内技术水平,保证技术上的可实现性飞机技术指标是航空技术实力的综合体现,实现高的技术指标必须要有先进的技术基础。美国之所以能够采用领先的技术指标就是因为有先进的技术基础为依据,否则任何高指标只能是空谈。国内航空技术水平与国外有差距,因此在确定指标时就应有所考虑。只有结合国内技术水平,提出一种既先进又合理,也能够实现的科学指标体系,才能对国内航空技术发展和提高新装备的使用起到促进作用。
   (3)既要有继承性,又要有一定的技术超前性飞机的研制往往要比其装备部队早十几年,甚至二十年。如果在飞机研制时提出的寿命指标没有技术超前性,会在装备服役以后,很快就暴露出相应的问题。航空技术发达国家在飞机结构寿命指标确定中都充分考虑到了指标上的继承性和技术上的超前性。美国对第三代战斗机指标最初就是确定为4000飞行小时,后来又增加为6000和8000飞行小时。对四代机则一开始用6000飞行小时,后来又提出8000飞行小时,这都说明在确定指标时必须考虑技术的延续与继承。而结构重量系数,则不断降低,以保证飞机性能的持续提高。
   (4)综合权衡,使各项指标协调、匹配飞机结构寿命指标不仅仅只是飞行小时问题,它还包括日历寿命、起落次数等,这些指标受飞机结构重量系数的制约。确定飞机的结构寿命指标必须以保证一定的结构重量系数为前提(如对于第四代战斗机结构重量系数就是27%~28%)。如果不考虑飞机的结构重量系数,只提飞机的寿命指标,会大大影响飞机的总体技术性能,另外, 飞机的飞行小时、日历寿命和起落次数不协调、匹配,也会给飞机使用带来问题。
   (5)可以采取"一步论证、分步实施"的办法确定飞机结构寿命的复杂性和不确定性,使得在考虑结构寿命时可以"一步证、分步实施"。即论证阶段暂时给出一个目标值或目标值范围,然后根据飞机的立项研制时间、预计装备使用时间,同时结合本国航空技术的发展进程进行预测,进而确定出具体的阶段目标,以达到所确定的技术指标既能实现,又能体现总体目标的先进性。

四、结论

飞机结构寿命的三项技术指标既密不可分,又有一定的矛盾性,同时还受到飞机的结构重量系数的制约,因此必须综合考虑。如高的结构使用飞行小时要求飞机具有较好的抗疲劳设计、较低的使用应力水平等;低的结构重量系数则需要大量采用新材料,合理控制飞机的使用应力;长的日历年限则需要较好的结构抗腐蚀控制技术和抗腐蚀材料的应用等。这些要求往往是矛盾的,必须根据实际情况进行适当折中。

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