飛機結構的三維損傷容限耐久性預測設計與虛擬試驗技術-飛機(編輯修改稿)
2025-08-10 02:39 本頁面
【文章內容簡介】 目前正在應用CAD/CAE技術和先進理論方法，通過對大型有限元軟件的二次開發(fā)來實現：1) 裂紋自動插入飛機結構模型；2) 裂紋在常幅和變幅疲勞載荷作用下的自動演化；3) 將有限元軟件與并行計算機集群計算端口對接，進行飛機全機結構三維損傷容限耐久性虛擬試驗。二 現代飛機結構設計的局限性和技術瓶頸在現代飛機結構設計中，數控整體機架主承力結構得到大量使用，因而含缺陷結構的三維效應對飛機壽命和安全性的影響日益突出。我國對飛機壽命的確定主要基于已生產出的成品進行實物模擬試驗。進行疲勞試驗，尤其是全尺寸的飛機疲勞試驗，耗費巨大，試驗周期長，試驗次數將受到極大的限制。隨著計算機技術和數值分析技術的高度發(fā)展，虛擬試驗在從國防裝備到民用品開發(fā)研制中具有越來越重要的地位。通過虛擬試驗技術，能夠有效拓展全尺寸試驗的效用，使一次試驗可以拓展出數次、數十次試驗的效用，切實指導定型和服役使用。并在數字化設計的任何階段，對任何部件、結構細節(jié)在可能的使用工況和環(huán)境下進行虛擬試驗，優(yōu)化設計。但是，虛擬試驗的可行性和可信度是核心挑戰(zhàn)。對飛機結構，主要技術瓶頸是[3, 4, 14]：1) 從材料性能數據到實際復雜三維結構強度和壽命等性能缺乏科學可靠的分析預測方法；目前大多數損傷容限分析和耐久性預測主要建立在二維疲勞斷裂理論的基礎之上，無法反映三維結構的裂紋演化和破壞模式及其對壽命的數個量級的可能影響。2) 對塊體結構的損傷容限與耐久性缺乏研究，而飛機的主承力部件和關鍵結構多為塊體結構，尤其在大面積使用整體部件的現代飛機中，三維特征很強，這方面的理論基礎和分析技術都十分薄弱。3) 飛機復雜傳力路徑致使從任務剖面確定關鍵部位局部應力水平困難；4) 以往強度設計主要考慮應力因素，對加工質量、環(huán)境等因素的定量影響估計困難。這是目前的飛機設計、定型時不得不進行全機疲勞試驗的重要原因。5) 實際結構的裂紋問題的復雜多樣性是制約設計單位采用損傷容限技術的主要障礙。通用分析軟件的直觀方法難以湊效，設計之前就建立強度因子庫等很不現實，發(fā)展虛擬試驗技術是解決問題的根本途徑。6) 比之靜、動、熱力學分析，損傷容限與耐久性虛擬試驗必須涉及微觀初始質量、三維裂紋結構細節(jié)到部件、全機受載的近十個尺度量級的跨越，對多尺度建模和并行計算技術提出要求。三 可望取得的突破1 飛機結構三維損傷容限和耐久性核心技術發(fā)展基于先進的三維疲勞斷裂理論和自主知識產權的三維損傷容限和耐久性關鍵技術，解決從材料性能到三維復雜結構性能的跨越。這是虛擬試驗的科學基礎和核心技術，具體研究內容包括：1) 基于材料基準曲線的三維裂紋擴展壽命預測技術：準確預測三維復雜塊體結構各類裂紋疲勞擴展壽命和疲勞擴展模式。2) 基于材料基本斷裂韌性數據的三維結構剩余強度預測技術：解決從標準材料性能試驗到實際結構斷裂的跨越，解決不同裂紋形式的統(tǒng)一問題，解決復雜載荷工況下三維結構裂紋的起裂預測技術等關鍵問題。3) 基于三維疲勞和斷裂的統(tǒng)一理論，建立從材料、結構初始質量和實際結構當前損傷狀況預測其疲勞壽命或耐久性的技術。2 復雜工況下的飛機結構損傷容限預測設計技術飛機結構疲勞損傷總是在復雜服役載荷工況和環(huán)境作用下逐步演化至破壞的過程。然而，復雜工況下的疲勞裂紋擴展、三維復合型裂紋斷裂韌性等在目前都未解決，但對飛機損傷容限有重要影響，這需要結合一些典型的飛機結構進行具體研究。結合典型飛機結構材料，發(fā)展三維斷裂理論至三維復合型裂紋問題，并開展試件級試驗驗證研究:1)建立三維復合型裂紋體的斷裂準則和剩余強度預測技術；2)開展復雜載荷工況下三維裂紋疲勞擴展規(guī)律研究的試驗研
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