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飞机结构疲劳强度与断裂分析
一、疲劳的基本概念
(一)、疲劳破坏的特征
1、在交变的工作应力远小于材料的强度极限,甚至比屈服极限还
小的情况下,破坏就可以发生。
2、疲劳破坏是一个累积损伤的过程,要经过一定的时间历程在交
变应力多次循环之后才突然发生。
3、疲劳破坏时没有明显的塑性变形。即使塑性较好的材料,破坏
时也象脆性材料那样,只有很小的塑性变形。因此,疲劳破坏事前不
易察觉。
4、疲劳破坏的断口有明显的特征,总是呈现两个不同的区域,一
个是比较光滑的区域,叫做疲劳区,内有弧形线条,叫做疲劳线;另
一个是比较糙的区域,叫做瞬时断裂区。此区域内没有疲劳线。
(二)、疲劳破坏的原因
疲劳破坏的原因
内因:构件外形尺寸的突变或材料内部有缺陷
外因:构件要承受有交变载荷(或交变应力)
在交变应力长期作用下,在构件外形突变处,或材料有缺陷处出
现应力集中,逐步形成了非常细微的裂纹(即疲劳源),在裂纹尖端
产生严重的应力集中,促使裂纹逐渐扩展,构件截面不断削弱。当裂
纹扩展到一定程度,在偶然的超载冲击下,构件就会沿削弱了的截面
发生突然断裂。
二、飞机结构承受的交变载荷
(一)、飞机结构承受的疲劳载荷
1.机动载荷
它是由于飞机在机动飞行中,过载的大小和方向不断改变而使飞
机承受的气动交变载荷。机动载荷用飞机过载的大小和次数来表示。
2.突风载荷
它是由于飞机在不稳定气流中飞行时,受到不同方向和不同强度
的突风作用而使飞机承受的气动交变载荷。
3.地-空-地循环载荷
飞机在地面停放或在地面滑行时,机翼在本身重量和设备重量作
用下,承受向下的弯矩,但飞机离地起飞后,机翼在升力作用下,承
受向上的弯矩。这种起落一次交变一次的载荷,称为地-空-地循环
载荷。这是一种时间长、幅值大的载荷。
4.着陆撞击载荷
它是由于飞机着陆接地后,起落架的弹性引起飞机颠簸加到飞机
上的重复载荷。
5.地面滑行载荷
它是由于飞机在地面滑行时因跑道不平引起颠簸,或由于刹车、
转弯、牵引等地面操纵而加到飞机上的重复载荷。
6.座舱增压载荷
这是由于座舱增压和卸压,而加给座舱周围构件的重复载荷。
在以上几种疲劳载荷中,对歼击机影响最大的是机动载荷、着陆
撞击载荷和地面滑行载荷。
(二)、交变应力
在上述交变载荷作用下,构件内部的应力也将是周期性变化的
“交变应力”。
当交变应力规则地变化时,可以用正弦波形表示应力随时间变化
的情况。由图可见,交变应力在两个极值之间作用周期性的变化。这
两个极值中大的一个叫做“最大应力”,小的一个叫做“最小应力”。
交变应力每作一个周期性变化,叫做“应力循环”。为了说明交
变应力的变化规律,通常用最小应力和最大应力的比值来表示,即:,
这个比值叫“循环特征”(或“应力比”)。
在每一个循环中,当最大应力和最小应力相等而符号相反时,这
样一种应力循环叫“对称循环”。当应力变化是时有时无,即从零到
最大值,又从最大值至零,这种最小值为零的应力叫做“脉动循环”。
当循环特征为任意数值时,此种应力循环属“非对称循环”
三、材料的疲劳极限和曲线
材料在一定循环特征下,可以承受无限次应力循环而不发生破坏
的最大应力,叫做材料的疲劳极限。
每一种材料的疲劳极限必须通过试验来测定。下面以对称循环旋
转弯曲疲劳极限的测定方法为例作简单介绍。
对于钢材,当循环次数N越大时,曲线逐渐趋于水平,即有一条
水平渐近线(图6)。水平渐近线所对应的纵坐标,就是对称循环的疲
劳极限。
四、影响飞机结构疲劳强度的因素
动图加载中
根据部队和工厂维修实践,影响飞机结构疲劳强度的因素主要有
以下四个方面:
(一)应力集中的影响
大量破坏事例证明:应力集中是影响飞机结构疲劳强度的主要因
素,疲劳源总是出现在应力集中的部位。如开孔、开槽、倒角、螺纹
等处容易出现疲劳裂纹。
(二)表面加工质量的影响
大量的破坏事例也证明:表面加工质量不高,也是影响飞机结构
疲劳强度的重要因素。
(三)装配效应的
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