飞机结构延寿的潜力与途径.pdf
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1、飞机结构延寿的潜力与途径臧伟锋董登科李 宏何永放姚卫宏(中国飞机强度研究所陕西 西安)摘 要:飞机结构延寿是航空界广泛采用的一种方法 鉴于飞机设计期间的可靠性要求、服役期间对结构疲劳性能的充分了解和结构维修引起的可靠性增长、统计分析时子样数的增加等因素造成的可靠性储备成功设计的飞机都有延寿的潜力 应该根据飞机设计和验证阶段试验的统计分析、服役经验和老龄飞机的拆毁检查结果分析尤其是老龄飞机结构疲劳试验验证确定老龄飞机延寿的期限关键词:飞机结构疲劳寿命延寿可靠度置信度中图分类号:.文献标志码:./.():.:收稿日期 作者简介 臧伟锋()男陕西蓝田人硕士高工研究方向:结构疲劳与可靠性分析与试验技术
2、 引 言飞机结构寿命是指飞机机体结构寿命通常有 个指标:飞行小时数、飞行起落数和日历年限 个指标中以先到者宣告飞机到寿 飞行小时数和飞行起落数也称为疲劳寿命反映了交变载荷对机体结构所造成的疲劳损伤 日历年限也称为日历寿命反映飞机在服役环境下能够使用的日历时间现代飞机造价高昂挖掘每架飞机的寿命潜力让其尽量更长久地安全服役即延长飞机的使用寿命可以获得显著的经济效益和军事效益 飞机结构延寿是国内外航空界广泛采用的一种既能保证安全飞行、又能提高经济效益和保证持续战斗力的行之有效的方法国内外疲劳领域的学者及研究机构对延长飞机结构寿命的理论和方法进行了大量的研究 贺小帆等通过将结构分散性和载荷谱分散性进行
3、分离得出载荷谱确定时的寿命分散系数远小于综合结构和载荷谱分散性时的寿命分散系数 张福泽在研究试验应力与疲劳分散系数分布规律的基础上认为使用载荷下高损伤的重谱能降低寿命但不能降低疲劳分散系数 何宇廷等则从可靠性的角度出发提出了一种飞机结构疲劳/耐久性安全寿命的当量延寿法美国交通部联邦航空局在其发布的咨询通报中对如何放宽飞机使用限制作了说明 空客公司从上世纪 年代就开始对 系列飞机做延寿工作并把成熟经验带到 系列飞机的延寿研究中一种成功设计的飞机型号其机队飞机大多会进行延寿 鉴于飞机设计期间的可靠性要求、服役中对结构疲劳性能的充分了解和结构维修引起的可靠性增长、统计分析时子样数的增加等因素造成的可
4、靠性储备成功设计的飞机都有延寿的潜力 只要加强飞机结构全寿命管理、结构设计管理、制造质量管理、服役管理和维修管理飞机结构延寿是可以实现的 飞机结构延寿的潜力.飞机设计中的可靠性要求在飞机研制和使用过程中安全性是必须考虑的首要问题结构可靠性要求是保证飞行安全的基本条件 从设计角度考虑飞机结构具有高可靠性固然是所期望的但可靠性期望值过高通常会伴随重量和费用的增加 从使用角度考虑飞机结构设计的高可靠性会减小维护工作量往往能降低维修费用 所以在进行可靠性设计时既要考虑满足飞机的性能和安全性要求又要充分地进行经济核算在综合考虑影响飞机结构可靠性的诸多因素情况下求得一个合理的设计方案可靠性设计思想贯穿于飞
5、机结构耐久性和损伤容限设计的始终 为了既能保证飞机结构的安全使用又能使飞机的结构重量满足设计要求飞机结构通常采用不等可靠性设计方法 对于其破坏会引起飞机灾难性破坏的主要结构项目可靠性要求很高即破坏概率很小对于其它结构可靠性适当降低这样飞机结构总重可能降低 所以结构的可靠性设计、可靠性试验是为了保证结构的安全使用而结构的使用经验又为结构的可靠性增长设计和可靠性增长试验提供了重要的信息大量的试验结果及外场统计资料表明在名义上一致的.工程与试验 .使用条件下结构的疲劳寿命具有明显的分散性 也就是说结构的疲劳寿命是一个随机变量 在飞机结构耐久性和损伤容限分析中最基本的耐久性要求是重要结构的可靠性寿命(
6、工程可检裂纹出现时的寿命)必须满足目标寿命要求只是不同的结构类型可靠性要求不同而已可靠度概念对可靠性设计来说是经典的而对工程应用来说是不直观的 为了工程应用方便引入基本可靠性指标对应的可靠性寿命与要求的可靠性寿命的比值来反映可靠度的概念更醒目疲劳可靠性系数 就是针对疲劳设计的可靠性目标要求所引入的一种附加系数其把对于结构可靠度要求的提高反映在把目标寿命放大 倍进行结构疲劳可靠性设计时对于威布尔分布其基本可靠性指标是置信度为 可靠度为 该指标只适用于易于接近并易于修理的损伤容限结构 对于那些开裂后不易检查、修理困难、修理时间长、修理费用高的结构或者开裂后对飞机安全性影响特别大的结构或者根本就不可
7、维修的结构可靠性指标要求应更高结构的疲劳可靠性系数越大对应的疲劳可靠度越高两者的对应关系为:()()式中 为疲劳可靠度为疲劳可靠性系数 为结构疲劳寿命服从双参数威布尔分布的斜率参数是由统计得到的已知量 对于铝合金 对于中强钢和钛合金 对于高强钢 对应不同可靠度 的可靠度系数为:()()式中为可靠度系数()为对应于可靠度为 的基本可靠度系数表 给出了不同材料的结构不同 要求对应的可靠度 表 疲劳可靠性系数 和可靠度 的关系可靠度 铝合金中强钢和钛合金高强钢 代表了疲劳性能的基本可靠性水平对应可靠度 置信度 用于“易于接近并易于修理”的结构大于 的结构疲劳可靠度大于 结构的 越大对应的疲劳可靠度越
8、高结构设计分析的最小疲劳可靠性系数可参考表 表 中的特殊部位是指在那些部位不能预期的早期疲劳裂纹会导致修理和预防性改型造成较长时间的地面停机表 结构疲劳可靠性系数 设计概念结构类型损伤容限易接近并易修理 不易接近或不易修理 特殊部位 安全寿命起落架结构 受地面载荷的铝结构 受地面载荷的钛和钢结构 结构应该尽量按损伤容限设计当不能使用损伤容限设计时则需采用安全寿命设计对按安全寿命设计的飞机结构必须规定进行经常性的检查为了工程应用引入疲劳分散系数()来反映可靠度的概念更醒目 把目标寿命乘以 分析得到的具有 的置信度 可靠度的寿命除以 就得到要求的可靠性寿命 表 给出了按照飞机结构设计概念对应表 结
9、构给出的疲劳分散系数()表 中的特殊部位与表 中的特殊部位含义相同表 疲劳分散系数设计概念结构类型损伤容限易接近并易修理 不易接近或易于修理 特殊部位 安全寿命起落架结构 受地面载荷的铝结构 受地面载荷的钛和钢结构 从表中可知对应损伤容限结构的首翻期和安全寿命结构(包括可更换结构)的裂纹形成寿命设计分析中的疲劳分散系数均大于 即设计可靠度均大于(置信度)而基本可靠性要求为 置信度(疲劳分散系数)所以成功的结构设计都为结构延寿(即扩大使用限制)留有一定的空间.服役中的可靠性增长飞机在研制、生产、定型过程中所抽取的样本量一般较少 对于可靠性和维修性设计方面的不足在使用过程中如能发现并采取一定的措施
10、加以排除则实际上结构的寿命便得到了提高 通过有计划地开展可靠性、维修性工作采取必要的纠正措施可以逐步改进结构设计和制造中的缺陷使可靠性、维修性不断增长达到延寿的目的服役中对于按损伤容限概念设计的结构超过首翻期后结构局部可能开裂按照经过试验验证的结构维修大纲中规定的维修周期和维修方法对开裂结构进行正常的维护和修理会提高飞机结构的使用可靠度服役中对关键结构件进行核实和跟踪确保其结构完整性 服役中还会出现设计和验证试验中未能预计出的结构薄弱环节或者特殊使用环境(例如噪声振动疲劳)造成的结构局部开裂此时通常都要进行结构分析和必要的试验验证形成结构的补充维修方案通过咨询通报贯彻到生产和维修工作中去保证飞
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