飞机结构强度设计研究

飞机结构强度设计研究

庄良宾

摘要：飞机结构是一项很复杂的工程，为了使机械产品在一定寿命周期内安全稳定的，达到所设计的条件，在一定时期范围内充分发挥其作用，因此引入高强度结构技术就变得更为重要。本文主要论述了强度设计方法在航空结构件设计中的运用。

关键词：飞机结构强度设计

1静强度

在飞行器结构方面，静态稳定性是指飞行器构件在特定环境下承载较大静态负荷但不引起损伤并能安全通过的性能。这里，最大静载荷是指航空器在规定的地面环境或者飞机使用中，所产生的最大或者最严酷的叠加负荷：最大极限载荷是指将极限载荷乘以不稳定系数后，以极限载荷为工作基础，在使用环境中即便构件出现整体损伤，破坏风险仍能减小至可以承受的水平；最大破坏压力则是指在既定的载荷状态下，航空器构件出现总体损伤后的最大压力。

1.1静强度分析

静强度分析一般包含了应力分析方法、响应研究、变形分析和静力稳定性分析方法等，并进而对力量、刚度和安全性的需求提供了校核。通常看作负荷通过非常慢的速度相互作用在受力体上，但不顾及负荷的往复循环影响，也不顾及结构材料的动态特性，构件没有动作反应，对结构的惯性力也采用了静载荷处理。

1.2静力稳定性

静力稳定性，是指系统在低于临界静载荷的压力影响下保持稳定状态，在遭受微小压力扰动之后，当扰动压力逐渐减弱时系统仍能恢复原来的变形状态并不进一步扩展，从而维持了原来的稳定平衡状态。当构件受到临界静载荷后，如给予一个小的负荷影响，将导致应变增大很多，使整体构件失去可靠性，构件的承载能力明显减少或者全部没有承载功能。

2动强度与气动弹性不稳定性

动态能力是指构件在动态载荷的作用条件下，经受震动和撞击而不损伤或保证安全运行的能力。航空器航行过程中的动力负荷和功率情况比较复杂，存在变数，大致分为如下方面。

2.1振动的动载荷

振动的动负荷主要有两个：突风和晃振。所谓突风，即在2~3km高空下，法向和侧向的突风在产生结构中附加压力的时候会产生并引起机构的震动抖振，飞机在急剧机动飞行中，某个部位在对与自身空气进行分离运动时引起飞机自身的强制震动，又或者由此的气流运动引起另一部位产生强制震动。晃震，在汽车机动行驶、油箱充压和燃油晃动时，所产生脉动电压引起的震动。另外还有如发电机、螺旋桨本身等机体内主要的震动来源，以及机载设备和机械装置上的如马达、油泵、液压冲床等震动来源所产生的震动。

2.2冲击的动载荷

大致分两种：第一种，为离散源碰撞，一般是如飞鸟碰撞、飞机发动机破碎、地板碎块、雨水冰雹、汽车弹块之类的碰撞。第二种类则是由于武装射击器或货物投入，对飞行器的着陆(或着水、着舰)、滑行和陆地上移动的产生冲击作用，如果这些活动载荷的运动状态和功能与相关机构固有的动态功能所形成的变化过大产将引起结构损伤或产生动态疲劳破坏，严重降低结构的稳定性；也可能造成机载设备、控制系统等的功能失灵或破坏，严重损害飞行器的安全性。

2.3气动弹性不稳定性

空气力量和弹性振动构件(如飞机、航空器)相互作用造成了构件的变形或震动，当空气力量能大于构件应变的能力时，使应变进一步加剧或当空气力量能大于构件的空气动力阻尼及耗散能量的能力使震动进一步增强，空气动弹性强度就开始平衡而步入了不平衡阶段。气动弹性又可分成静气动弹力、运动气动弹性、气动伺服弹力和热气动弹力。

2.4疲劳断裂

疲劳断层分为裂纹产生发展阶段和破裂延伸发展阶段，构造本身飞机在重复负荷、载荷环境条件改变等影响下，从细微缺陷延伸而产生的微裂纹，或者由于负荷环境条件持续影响，最后产生的疲劳破裂或者损伤。由于航空器飞行次数不断增多，裂缝的不断延伸使整体承载能力逐渐减少，直至在进入快速破裂扩展到的临界裂缝时又出现开裂破坏，使飞行器整体的构件丧失了承载能力。因此破裂形成的寿命一般是指从破裂到达可检尺寸为止的寿命，而破裂延伸寿命一般是指从破裂到可检裂缝长度开始到最后破裂的寿命。

裂纹产生和扩大的重要因素是由构件遭受反复负荷而引起的，反复负荷来源众多，一般有地面发电机开路、飞机诱导滑行、着陆、着舰、弹射航行、机械航行和突风、飞机操纵系统作业、飞机座舱增压、抖振和地形跟踪航行等。由于反复负荷的相对重复，一般我们可用负荷谱来估计反复负荷状况。所谓负荷频谱，是指建筑构件所受到的负荷随时间而变动的变化历程，一般根据不同负荷程度、分布方式和相应的频率，按出现时间先后顺序排列而形成或以随机载荷过程的统计特征来描述。在疲劳设计或测试时，一般按照疲劳损伤的等效准则把实际负荷频谱简化为易于表示的简单负荷频谱。负荷谱的类型也不少，最常用的负荷谱类型有：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

强度设计是一个迭代发展的进程，特别是对于飞行器、悬挂式发射装置、导弹等这种融多个优秀科技成果于一身的产物，设计结果也必须经过重复数次的地面测试，才能检验设计成果是否符合要求。在引入了强化设计并得到了大量运用以前，很多实验工作都是借助生产样机完成的，不但成本比较昂贵，并且实验结果如果错误，对后期产品设计工作也会造成很大干扰，在无形之中加大了研究成本，同时研发速度也不能提高。但随着强化设计的大量运用于设计中，促使了产品设计逐步向数字化阶段的过渡，这种困难最终得以被克服。

3.2降低设计成本

20世纪90年代，将数字化设计和验证理论引入到了机械设计中。数字化验证，就是通过对生产中的零件采用统一的数字化模型设计与仿真，并利用虚拟现实技术，在产品设计流程中通过对生产构件的静刚度技术设计、动刚度技术设计、气动载荷模拟等，就可以及早地发现自己架构设计缺陷，以改善生产品质，同时具备了迅速应变、充分利用土地资源、突破空间束缚等优点。而针对航天悬挂发射装置领域的生产企业来说，生产形状、布局设计等均与技术性指标有关，在产品设计流程中若能及早发现自己缺陷问题，并且完成了产品设计改善，将可大大减少研发成本，减少走弯路。

3.3快速准确定位故障原因

机载武器系统作为战斗机的主要部件，直观确定了作战力量。在严酷的测试过程中，往往会发生震动断裂、碰撞损伤、静力特性变化过大等一系列事故，此类事故的发生仅凭工程师研究和实践很难找到其根本原因。航空设备研制也是我们国家发展高大精尖科技水平的重要体现，在航空飞行活动中，及时地对设备进行了装备预示试验与检测，从数以万计的高精密零件中进行了精确定位，快速评估失效级别，从而实现了飞行中的事故消除以及现场修理淮备。在运用互联网的强度识别技术，进行强度识别检查时，可以迅速还原设备失效情况，从而精确定位了失效因素，迅速排除故障，从而成为了保证战斗力的关键保障。

4结语

在全球军事实力争夺日益加剧的今天，高强度设计技术融入飞行器总体设计中势必会降低整体设计成本，从而减少了研发经费，提升飞行器的总体作战性能。由于计算机技术的迅速发展，将飞行器结构件以及机械产品的强度设计日益为主要地放在了每一个设计者眼前，将是未来机器人产品设计发展的主旋律。同时，高性能计算机技术的出现将为更复杂机械系统，比如飞行器结构件的强度设计分析等提供了有力支持，二者相互促进，将不断提高飞行器结构强度的飞速发展。

参考文献

[1]艾森,王晓辉,许向彦,吴存利,聂小华.飞机金属加筋壁板结构强度校核软件设计与实现[J].机械科学与技术,2022,41(02):322-328.DOI:10.13433/j.cnki.1003-8728.20200604.

[2]王鑫涛.飞机结构强度试验局部约束装置设计[J].工程与试验,2020,60(01):136-137.

[3]张伟,周帆,杨建江.飞机结构强度设计研究[J].科技资讯,2018,16(04):96+98.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2018.04.096.

[4]汤超.基于MSC.Patran的飞机典型耳片结构强度校核系统设计[J].江苏科技信息,2016(17):63-66.

[5]李琦,邱志平.飞机蒙皮厚度连续变化要求下的结构强度优化设计[J].南京航空航天大学学报,2014,46(03):377-381.DOI:10.16356/j.1005-2615.2014.03.009.

[6]王生楠. 飞机结构设计及强度专业发展研究[C]//.航空科学技术学科发展报告.,2014:73-94+179.