飞机长寿命设计与评定技术研究

简述了某型教练机长寿命设计与评定技术。在设计各阶段对飞机结构进行抗疲劳耐久性细节设计与研究,严格控制结构设计细节;在寿命评定阶段通过载荷谱飞行实测而编制出真实可靠的载荷谱,进行疲劳/损伤容限分析、全尺寸疲劳/损伤容限试验,验证了某型教练机达到了8000飞行小时的寿命指标。所取得的技术成果,为今后的长寿命飞机研制提供了技术支持。     

飞机结构疲劳试验载荷优化分配

现代飞机结构设计，对全尺寸结构疲劳试验的技术及精确性要求也越来越高。正确施加疲劳载荷，尽可能准确地反映结构真实内力是至关重要的。国内的载荷优化分配研究尚处于初步研究及技术实施阶段。依据试验加载的试验条件和杠杆分配原理，按照主承力切面内力高精度控制原则，通过区域划分，疲劳试验载荷谱优化、加载点载荷等效及误差评估，来实现整个优化过程，并进行了程序开发。     

民机全机疲劳试验综合加速技术研究与验证

民机全机疲劳试验关系到适航取证和服役使用，为缩短疲劳试验时间，从载荷谱简化和试验过程提速两方面进行综合性加速技术研究。对细节疲劳额定值(DFR)法改进使之适用于全寿命区间后，基于改进DFR法提出了以损伤比为判断标准的载荷谱等损伤折算方法，通过小试验件验证了载荷谱简化方法的正确性，并将其应用于全机疲劳试验。载荷谱简化后各任务段的总循环次数大幅减少，采用简化谱的后机身试验损伤结果与原谱全机试验基本相同，说明了该方法适用于全机试验。在试验设计和实施阶段，提出了快速载荷处理的载荷整体平衡优化方法和缩短每循环加载时长的分段等速率加载优化方法，载荷处理结果误差均满足设计要求，优化后的平均每日起落数由48提高到90。     

一种高效的正常类飞机全机疲劳试验方法

目前国内飞机结构疲劳耐久性评定通常采用规范谱和飞机典型设计任务剖面相结合来编制疲劳试验载荷谱,对全机完整结构进行考核,这将耗费巨大的成本和周期,也因此全机疲劳试验成为型号机体结构设计验证最后以及最复杂的一环。对于以经济性为主要研制要求的正常类飞机,为了推进型号研制工作和取证进度,需要缩减全机疲劳试验的成本和周期。在CA42型飞机适航取证的全机疲劳试验工作中,依据FAA认可的规范谱编制了疲劳试验谱,将疲劳考核目标由整机结构调整为机体主要承力结构,并相应简化了全机疲劳试验载荷加载方式,形成了一种高效的全机疲劳试验方法。通过该方法,CA42飞机全机疲劳试验仅耗时两月,试验成本主要为工时,有效的推进了适航取证工作,并缩减了研制成本。     

飞机载荷/环境谱编制研究及应用

阐明了编制恰当的载荷/环境谱是飞机结构疲劳、损伤容限和耐久性设计或现有机种寿命评定中的首要工作,它对后续的分析和试验工作的成败、经费、工作量和时间都有重大的影响。介绍了根据不同的工作任务和技术要求,有多种形式的载荷/环境谱及相应的编谱方法,主要对载荷/环境谱的编制技术进行了研究,提出了具有指导意义的一般性方法,最后给出了某型飞机的载荷环境谱。     

对我国以往常用前起落架载荷谱存在问题的探索

 通过对轰六前起落架主、辅减摆器使用载荷谱的实测、疲劳试验实施方法和试验结果的介绍与分析,初步探索了我国以往常用前起落架载荷谱中存在的问题以及疲劳试验结果与前起落架外场实际破坏不符的原因。并对今后编制前起落架载荷谱和确定前起落架疲劳试验加载方法提出了改进意见。     

直升机复合材料结构疲劳寿命评定技术的研究进展与发展趋势

针对直升机复合材料结构的服役环境和外场使用经验,分析了复合材料结构在交变气动环境下所呈现出的高周疲劳载荷特征,指出复合材料疲劳在直升机复合材料结构设计中的必要性.对直升机复合材料结构疲劳定寿体系中涉及的疲劳载荷谱编制方法、损伤失效机理、寿命预测方法及疲劳试验验证4项关键技术的研究进展进行了概述,在此基础上,根据当前复合...     

基于高低周复合疲劳试验技术的叶片失效故障复现

针对某涵道尾桨风扇叶片在风洞试验中发生的断裂故障,基于叶片破坏模式和载荷形式,初步分析为离心载荷/低循环疲劳(LCF)和气动载荷/高循环疲劳(HCF)耦合作用导致的疲劳破坏。基于此,通过正交载荷解耦和协调加载控制等关键技术开展联合载荷作用下的叶片复合疲劳(CCF)试验技术研究和试验考核验证。试验结果表明,离心载荷控制精度优于±1%,气动载荷控制精度优于±8‰。试验应变响应频率与试验加载频率一致性较好,满足试验加载和控制的同步性要求。最终,通过对叶片故障复现验证失效原因分析的正确性,为叶片结构优化设计、寿命评估和复合疲劳试验奠定技术基础。     

涡轮叶片耦合疲劳寿命预测与试验验证

为了解决涡轮转子叶片在温度、离心力和气动/噪声联合载荷作用下的疲劳强度问题,开展了高低周复合载荷谱分解方法和基于高低周载荷的全时域蠕变损伤累积模型研究,提出了同时考虑蠕变损伤、低周疲劳损伤和高周疲劳损伤的耦合疲劳寿命预测方法。同时,通过正交载荷解耦和耦合载荷协调加载控制等关键技术的应用,开发了高温环境下的高低周复合疲劳试验平台。最终,基于设计的涡轮叶片模拟件,完成了耦合疲劳寿命预测和试验验证。结果表明:模拟试件的耦合疲劳寿命试验结果分散系数为1.01,耦合疲劳寿命的预测结果与试验结果偏差小于24%,从而验证了疲劳寿命预测模型的正确性,为我国航空发动机热端部件的疲劳强度设计和验证提供了有效的技术途径。      

基于疲劳-蠕变载荷等效转换的涡轮盘载荷谱编制及寿命预测

针对雨流计数法在峰谷值提取时进行等值压缩,忽略保载时间的问题进行了改进,提出了一种基于损伤曲线的疲劳-蠕变载荷等效转换方法。利用非线性疲劳损伤累积函数和损伤等效原则,建立了不同应力水平、不同保载时间下疲劳-蠕变载荷与疲劳载荷之间的等效换算模型。利用涡轮盘材料试验数据,计算了不同循环加载条件下的等效换算比,得到了其随保载时间的变化规律。利用改进的雨流计数法,编制了航空发动机高压涡轮盘载荷谱,并将其与寿命-时间分数预测法相结合,得到了涡轮盘剩余寿命。结果表明,改进的雨流计数法综合考虑了疲劳-蠕变耦合损伤对涡轮盘寿命造成的影响,相比于传统雨流计数法,寿命预测误差降低了15.02%,验证了该方法的有效性。     

先进战斗机寿命设计与延寿技术发展综述

轻质长寿命一直是飞机结构强度设计所追求的目标,也是一代又一代结构强度工作者所面临的永恒主题。随着国内外航空工业的发展、疲劳设计理论以及现役飞机延寿工程的开展,飞机寿命设计与延寿技术取得了快速发展。本文从20世纪60年代飞机设计中引入疲劳设计开始,以疲劳设计准则的发展为主线,对分散系数的确定、载荷谱编制技术、飞机寿命设计与延寿技术、日历寿命评定、单机寿命监控等技术的形成与发展进行综合论述。有成功的经验,也有失败的教训,从实践中发展出疲劳设计的理论体系、分析方法与规范标准,带来了飞机设计寿命指标的不断提升,保障服役飞机的飞行使用安全。提出耐久性/损伤容限设计思想是目前及未来飞机长寿命设计及延寿的主要设计思想,全尺寸耐久性/损伤容限试验是飞机定寿、延寿最主要的技术途径,结构细节设计、耐久性预防性修理以及单机寿命监控也是确保长寿命设计指标实现和现役飞机延寿成功不可或缺的技术手段。     

飞机主操纵系统疲劳定寿

本文对飞机主操纵系统疲劳定寿以及所涉及与机体疲劳同试的全机主操纵系统疲劳试验方案制定、基于操纵载荷及操纵位移实测数据的动态及静态疲劳试验载荷谱编制、疲劳试验验证、零组件拆检、系统寿命计算、外场故障统计、问题分析处理以及疲劳寿命评定等内容进行了阐述。同时,对系统疲劳定寿的相关问题进行了分析和讨论,说明实施飞机主操纵系统疲劳试验验证、系统疲劳定寿,以及其寿命评定,应涉及系统疲劳和静态性能2个方面,这样,不仅可以真实考核或验证飞机主操纵系统零组件及其支持件的疲劳性能、带有寿命指标要求的系统静态性能,而且实际有效地暴露操纵系统疲劳设计的薄弱部位及薄弱环节。由此,有针对性地进行系统设计改进、补充和完善现有飞机维护规程及相关条款,能够进一步保障外场飞机的正常使用和飞行操纵安全。     

大型民用飞机缝翼全尺寸静力试验载荷设计

研究了大型民用飞机前缘缝翼全尺寸静力试验载荷设计技术,以实现对缝翼结构安全性的考核和强度分析方法的验证。针对前缘缝翼尺寸小、曲率大、受载工况复杂的特点,提出了试验基准载荷筛选、试验实施载荷转换和试验加载方案优化的方法,形成了一套符合适航要求的试验载荷设计流程。基于最小安全裕度原则进行试验基准载荷的筛选,建立试验加载局部坐标系将气动分布载荷转换成试验集中载荷,为了准确模拟机翼大变形状态下缝翼的受载状态,对试验载荷进行斜加载。与理论载荷的对比分析结果表明了试验载荷设计的有效性,试验结果表明了所形成的载荷设计技术可以实现对前缘缝翼结构静强度的适航验证。     

某系列飞机结构可靠性验证和寿命评估研究

本文简要介绍了某系列飞机结构可靠性验证和寿命评估的方法和结果。包括疲劳载荷谱、疲劳／耐久性和损伤容限分析、全尺寸结构疲劳试验、结构细胞调节改进及使用寿命的可靠性保障体系。实践表明，该项研究不但大大的提高了飞机机队的安全性，是具有显著的经济效益。     

评美空、海军飞机强度规范中的寿命和可靠性要求

本文介绍了美国空军、海军飞机结构强度和刚度规范自60年代初共用一套规范到80年代后期各自推出新规范的过程。说明了各个时期规范修订的内容,重点就与寿命和可靠性有关的条款作了较详细的对比分析,诸如寿命概念、载荷环境谱、疲劳试验件、疲劳试验进度、分散系数和部队管理等。最后,对美空军釆用的经济寿命概念(耐久性设计技术)发表了看法。     

某型发动机承力机匣疲劳载荷谱研究

以某型发动机承力机匣疲劳载荷谱编制为例,介绍了一种基于载荷剖面计算的航空发动机零部件疲劳载荷谱编制方法。为使编制出来的载荷谱易于应用,采用了一种压缩处理方法,以获得较少的等效循环矩阵。还分析了各个载荷矩阵之问的相位关系,得到了相应的相关矩阵。最终得到的承力机匣疲劳载荷谱为后续的强度与疲劳寿命分析及其试验谱的确定提供了依据。     

一种飞机机轮轴承重负荷冲击试验机的设计

随着现代飞机性能要求的不断提高,对飞机机轮轴承提出了更高的要求,研制性能更佳的机轮轴承供机轮选用已是必然趋势,本文介绍了一种采用立式液压加载系统以及对滚式的被动驱动轴承外圈旋转方式的飞机机轮轴承重负荷冲击试验机,可模拟机轮轴承在机轮上承受的径向和轴向静载荷试验、动载荷谱滚转疲劳寿命试验、冲击载荷承载能力试验、刹车制动试验等受载工况试验。     

飞机高置信度中值随机疲劳载荷谱的编制原理

借助于当量寿命概率分布,在满足高置信度 ( 90 %以上 )条件下,提出了中值随机疲劳载荷谱的编制原理。中值随机疲劳载荷谱与确定飞机使用寿命的分散系数法相关一致,能够真实地展现结构在实际工作中的自然形态载荷-时间历程,保持了载荷-时间和各个状态参数的一一对应关系。进行疲劳试验时,能够真实地再现结构关键部位疲劳损伤依赖于时间的裂纹萌生、裂纹扩展和断裂的全过程。     

寿命系数定寿的原理和方法

通过对疲劳载荷谱损伤值的研究,发现金属材料的疲劳寿命与疲劳试验载荷谱损伤值成线性关系,即金属材料的疲劳寿命随疲劳试验载荷谱的轻重成线性关系。由此规律推导出寿命系数,通过寿命系数可以降低全尺构件的疲劳试验时间。根据已有的疲劳试验数据研究的寿命系数值显示,在平均谱(疲劳损伤值为50%)基础上加重至58.33%损伤谱可降低全尺寸疲劳试验时间11%,75%损伤谱可降低36%,91.5%损伤谱可降低51%。由此得出:为了减少全尺疲劳试验时间,可以用加重载荷谱进行全尺寸疲劳试验,获得重谱下的寿命,再利用样件的寿命系数将其还原到平均谱下的平均寿命,然后用规范规定的疲劳分散系数除以平均寿命,给出使用寿命。这样既实现了减少疲劳试验时间的目的,又不违背规范规定的疲劳分散数值,使飞机定寿既经济又可靠。     

基于频率雨流计数法的发动机振动疲劳载荷谱编制

传统雨流计数法适用于常规疲劳载荷计算,不能保留振动疲劳的频率信息,但是频率对于振动疲劳十分重要,因此在传统雨流计数法的基础上提出一种频率雨流计数法。以某型号发动机试车振动加速信号为例,采用振动疲劳载荷谱的编制方法,编制振动信号功率谱、载荷 - 频次载荷谱、振动疲劳载荷谱,对频率雨流计数法进行验证。结果表明:采用本文方法编制的载荷谱能够反映发动机实际工作载荷,满足实验室疲劳试验载荷谱要求。