【可靠性知識】詳解損傷容限設計與安全壽命設計

2021-02-19 金鑑LED技術好文章推選


從60年代末期起的幾年當中。原按疲勞安全壽命設計的多種美國空軍飛機出現了某些斷裂事故，因此，按安全壽命設計並不能確保飛機的安全，因為它沒有考慮到實際結構在使用之前，由於材料、生產製造和裝配過程中已存在不可避免的漏檢的初始缺陷和損傷；加之當時使用的高強度或超高強度合金的斷裂韌性降低等原因，這些缺陷、損傷於使用過程中在重複載荷作用下將不斷擴展，直至擴展失控造成結構破壞和災難性事故。

 

因此美國於1974-1975年頒布了第一部損傷容限設計規範。

 

損傷容限基本概念

損傷容限是指結構在規定的未修使用周期內，抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導致破壞的能力。簡單地說，就是指飛機結構中初始缺陷及其在使用中缺陷發展的允許程度。因此，損傷容限設計概念是承認結構在使用前就帶有初始缺陷，但必須通過設計的方法把這些缺陷或損傷在規定的維修使用期內的增長控制在一定的範圍內，在此期間，結構應滿足規定的剩餘強度要求(含缺陷或含裂紋結構的承載能力)，以保證飛機結構的安全性和可靠性。

 

因此，損傷容限設計思想研究的對象是那些影響飛行安全的結構部件在使用壽命期內的安全裕度問題。

 

從損傷容限設計的基本內容上看，就是通過設計、分析和試驗驗證，對可檢結構給出檢修周期，對不可檢結構提出嚴格的剩餘強度要求和裂紋增長限制，以保證結構在給定的使用壽命期內，不至因未被發現的初始缺陷擴展失控而造成飛機的災難性事故。

 

因此損傷容限設計所追求的目標就是通過設計、分析、試驗與監測維修的各種手段，保證飛機在使用壽命期內其剩餘結構(帶損傷結構)仍然能夠承受使用載荷的作用，不發生結構的破壞或過分變形，並提供保證安全性所要求的檢查水平。

結構損傷容限設計的基本概念

 

損傷容限設計、分析、試驗以及使用維修四大方面的技術內容：

 

(1) 設計

· 制定設計規範與設計要求；

· 結構分類劃分及其設計選擇原則；

· 結構材料的選擇；

· 結構布局、結構細節設計；

· 製造裝配中的質量控制設計。

 

(2) 分析

· 危險部位的選擇與分析；

· 載荷和應力譜的分析；

· 初始損傷品質的評定；

· 裂紋擴展分析；

· 剩餘強度分析。

 

(3) 試驗

重要結構部件與全機損傷容限試驗。

 

(4) 使用與維修

· 結構損傷的無損檢測；

· 檢查能力評估與檢查間隔制定。

 

損傷容限設計與安全壽命設計方法的區別

總結安全壽命設計思想可以看出，安全壽命設計概念在於認為飛機在使用前結構是完好無損的，在使用壽命期內也不應出現可檢裂紋。一旦在疲勞關鍵部位出現宏觀可檢裂紋就認為結構已經破壞。這就是說安全壽命設計只考慮裂紋形成壽命，不考慮裂紋擴展壽命，並規定安全壽命的給出必須通過全尺寸疲勞試驗進行驗證，對疲勞破壞固有的分散性及一些不確定的因素用分散係數來考慮。

 

安全壽命設計的目標是通過對疲勞關鍵部位進行合理的選材，開展抗疲勞結構細節設計，適當控制應力水平，改善結構細節的抗疲勞品質，注意降低幾何、材料和載荷不連續造成的應力集中，以及在生產過程中貫徹良好的質量控制，使飛機結構在譜載荷作用下，保證飛機在安全使用壽命期內疲勞破壞概率最小。通過設計、分析和試驗所給出的安全壽命應滿足訂貨方提出的設計使用壽命要求。

 

對比前面所講的損傷容限設計思想。我們可知這兩種不同的設計原理在對結構初始缺陷狀態的認識出發點上就存在著差異，這樣，在結構設計方法、分析評估體系以及試驗驗證的關心焦點等諸方面也就存在著差異。因此，安全壽命設計與損傷容限設計在概念內容、方法等方面有著實質的不同。但應當說是在不同意義上解決結構的使用壽命設計及飛機安全問題，總的目標是一致的，而且在結構件抗疲勞細節設計的原理上仍有許多共同之處。

損傷尺寸與載荷循環數的關係

 

上圖以工程上直觀的形式給出了這兩種設計所關心的裂紋或損傷不同階段的示意曲線．圖中所列的幾個特徵性損傷尺寸意義如下：

 

ai——對應疲勞起裂點(對應主導裂紋的形成點；

a1——對應安全壽命(又稱疲勞壽命)終結點的宏觀可檢裂紋；

a2——對應外場使用中檢測儀器手段所能測定的裂紋尺寸；

a0——對應損傷容限設計起點的按規範規定的初始裂紋尺寸；

acr——對應裂紋不穩定擴展的臨界裂紋尺寸。

 

由上圖可見，由疲勞源引發的疲勞裂紋總壽命應是由裂紋形成壽命N1和裂紋擴展壽命N2兩部分組成。即

 

在按損傷容限設計的壽命估算中，因首先承認存在初始缺陷a0，故N1=0，裂紋擴展壽命即為總壽命，即 

事實上，在實踐中形成了一種安全壽命／損傷容限設計思想，即用抗疲勞設計方法確定飛機的安全壽命，用損傷容限設計確定結構損傷的檢查間隔，以進一步保證飛機的飛行安全。目前已較多採用了這種組合設計方案。

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