飛機(jī)的靜強(qiáng)度設(shè)計

1、王曉軍航空科學(xué)與工程學(xué)院固體力學(xué)研究所飛機(jī)的靜強(qiáng)度設(shè)計1 前 言 靜強(qiáng)度屬于結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)設(shè)計問題，即主要關(guān)心工程上結(jié)構(gòu)元件材料本身的最大承載能力(或稱抗力、強(qiáng)度)。主要考慮結(jié)構(gòu)元件上局部點(diǎn)的工作應(yīng)力是否有大于其強(qiáng)度極限的危險，問題的分析相對簡單。 靜強(qiáng)度設(shè)計方法及準(zhǔn)則是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中最基本的設(shè)計原則，也是最早發(fā)展成熟的設(shè)計規(guī)范之一。它是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中首先考慮的基本要求，即結(jié)構(gòu)必須能夠承受飛機(jī)使用過程中所遇到的各種載荷，而不破壞，也不至于產(chǎn)生影響到飛機(jī)功能的永久變形。 2 設(shè)計準(zhǔn)則 對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度問題，實(shí)際是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用當(dāng)中承受各種載荷工況下最大使用載荷的能力。不同的載荷工況將導(dǎo)致結(jié)

2、構(gòu)元件的受力狀態(tài)不同，因此，必須全面考察飛機(jī)飛行中所遇到的各種載荷狀態(tài)(工況)，而同一載荷工況下，靜強(qiáng)度僅考慮最大載荷值即可。 通常飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計采用設(shè)計載荷法，即取安全系數(shù)，乘上使用載荷即為設(shè)計載荷。一般安全系數(shù)取1.5，有時視情況還需乘上附加安全系數(shù)。 靜強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則為結(jié)構(gòu)的極限載荷(或極限應(yīng)力)大于、等于結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷(或設(shè)計應(yīng)力)，其表達(dá)式為：3 靜強(qiáng)度設(shè)計步驟 靜強(qiáng)度設(shè)計工作步驟為: 獲取結(jié)構(gòu)上作用的載荷數(shù)據(jù)；進(jìn)行細(xì)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計算；做出強(qiáng)度判斷。 作用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的載荷主要有氣動力載荷、質(zhì)量力以及連接節(jié)點(diǎn)上的集中力。這些載荷主要由氣動和強(qiáng)度組專業(yè)技術(shù)人員提供。 在早先的結(jié)構(gòu)

3、內(nèi)力分析計算上，由于缺少大型的計算機(jī)硬件系統(tǒng)和分析軟件，強(qiáng)度計算僅針對結(jié)構(gòu)的局部部件甚至分成構(gòu)件，采用材料力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)的模型簡化方法，逐個進(jìn)行分析計算。 由于現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，特別是結(jié)合現(xiàn)代計算技術(shù)研究發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)數(shù)值分析理論和軟件系統(tǒng)，為大規(guī)模結(jié)構(gòu)計算提供了強(qiáng)有力的工具，不僅結(jié)構(gòu)元件的細(xì)節(jié)可細(xì)致模型化，而且像一個整體機(jī)翼、機(jī)身甚至全機(jī)那樣多的結(jié)構(gòu)元件也可納入到一個大規(guī)模的結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行分析。這樣，可大大提高分析精度，特別對元件或構(gòu)件間的連接關(guān)系予以了充分考慮，使得一些關(guān)鍵部位的分析更加準(zhǔn)確。 4 材料的試驗及其屈服 4.1 4.1 材料拉伸的力學(xué)性能材料拉伸的力學(xué)性能力學(xué)性能指材

4、料受力時在強(qiáng)度和變形方面表現(xiàn)出來的性能。 塑性變形又稱永久變形或殘余變形 彈性變形塑性變形變形塑性材料：斷裂前產(chǎn)生較大塑性變形的材料,如低碳鋼 脆性材料：斷裂前塑性變形很小的材料，如鑄鐵、石料 材料的機(jī)械性質(zhì)通過試驗測定，通常為常溫材料的機(jī)械性質(zhì)通過試驗測定，通常為常溫靜載試驗。試驗方法應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。靜載試驗。試驗方法應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定金屬拉伸試驗方法LL=10d L=5d對圓截面試樣：對矩形截面試樣：0011.3lA005.65lA 國家標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了試驗方法，對試件的形國家標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了試驗方法，對試件的形式也作了詳細(xì)規(guī)定式也作了詳細(xì)規(guī)定當(dāng)當(dāng) l=10d 時的試件稱為時

5、的試件稱為長試件長試件，為，為推薦尺寸推薦尺寸當(dāng)當(dāng) l=5d 時的試件稱為時的試件稱為短試件短試件，為材料尺寸不，為材料尺寸不足時使用足時使用標(biāo)準(zhǔn)試件材料材料試驗機(jī)試驗機(jī)材料的力學(xué)性能材料的力學(xué)性能在材料試驗機(jī)上在材料試驗機(jī)上進(jìn)行測試。材料進(jìn)行測試。材料試驗機(jī)的式樣有試驗機(jī)的式樣有很多，但大多為很多，但大多為機(jī)械傳動或液壓機(jī)械傳動或液壓傳動。傳動。PP拉伸圖：拉伸圖：P L 曲線曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線：應(yīng)力應(yīng)變曲線： s e 曲線曲線L0PLs P /A0e L / L0(1) (1) 塑性材料拉伸時的力學(xué)性能塑性材料拉伸時的力學(xué)性能 O名義應(yīng)力名義應(yīng)力(Nominal stress)比例極限比例極

6、限P彈 性 階 段Elastic stage彈性極彈性極限限eBA屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力sC真應(yīng)力真應(yīng)力(True stress)F局 部 化 階 段Localization stage斷裂斷裂E強(qiáng)化階段Hardening stage強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限bD屈 服 階 段Yielding stageOs%eaPsbescSsdbs彈性階段彈性階段ps s 比例極限比例極限es s 彈性極限彈性極限e es sE 虎克定律虎克定律 tgE 彈性摸量彈性摸量Pss（）時成立屈服階段屈服階段 ss s 屈服極限屈服極限強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段bs s 強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限局部變形階段局部變形階段e合金鋼20Cr高碳鋼T1

7、0A螺紋鋼16Mn低碳鋼A3黃銅H62(2) 塑性材料的卸載塑性材料的卸載(unloading)過程過程O殘余殘余( (塑性塑性) )應(yīng)變應(yīng)變重 新 加 載重 新 加 載(reloading)彈性回復(fù)彈性回復(fù)卸載卸載卸載卸載加載加載加載加載lPspsesssbpeeeeseabcdefseeeepe卸載定律卸載定律 冷作硬化冷作硬化 材料在卸載過程中應(yīng)力與應(yīng)變成線形關(guān)系。稱為：卸載定律 。 在常溫下把材料冷拉到強(qiáng)化階段，然后卸載，當(dāng)再次加載時，材料的比例極限提高而塑性降低。這種現(xiàn)象稱為冷作硬化冷作硬化。延伸率 (Percent elongation)1100%LLL截面收縮率(Percent

8、reduction in area)1100%AAA 與與 表征材料破壞后的塑性變形程度表征材料破壞后的塑性變形程度。 與試件的原始尺寸與試件的原始尺寸L/d有關(guān)；有關(guān)； 與與試件的原始尺寸無關(guān)。試件的原始尺寸無關(guān)。塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料 5% 5% 5% ( (b b) )t t幾種非金屬材料的力學(xué)性能混凝土混凝土木材木材b、 高溫、常時工作的構(gòu)件，會產(chǎn)生高溫、常時工作的構(gòu)件，會產(chǎn)生蠕變?nèi)渥兒秃退沙谒沙?1) 幾個概念：幾個概念：a、 高溫對材料的力學(xué)性能有影響高溫對材料的力學(xué)性能有影響d、松弛、松弛(Relaxation)：應(yīng)變保持不變，應(yīng)力隨時間：應(yīng)變保持不變，應(yīng)力隨時間增加而

9、降低的現(xiàn)象增加而降低的現(xiàn)象c、蠕變、蠕變(Creep)：應(yīng)力保持不變，應(yīng)變隨時間增加：應(yīng)力保持不變，應(yīng)變隨時間增加而增加的現(xiàn)象而增加的現(xiàn)象4.3 4.3 溫度和時間對材料力學(xué)性能的影響溫度和時間對材料力學(xué)性能的影響(2) (2) 應(yīng)力速率對材料力學(xué)性能的影響應(yīng)力速率對材料力學(xué)性能的影響dtde ee e時時稱稱為為動動載載 3e e2低碳鋼低碳鋼Ose1靜荷載靜荷載動荷載動荷載0 20 40 60 80 100320300280260240220200應(yīng)力速率與屈服極限的關(guān)系應(yīng)力速率與屈服極限的關(guān)系ss (MPa)s (MPa/s)總趨勢總趨勢: :溫度升高溫度升高, ,E E、s sS S

10、、s sb b下降；下降； 、 增大增大溫度下降溫度下降, , s sb b增大增大 、 減小減小)( C)MPa(s)GPa(E0 100 200 300 400 500216177137700600500400300200100100908070605040302010(%),ESsbs溫度對低碳鋼力學(xué)性能的影響溫度對低碳鋼力學(xué)性能的影響(2) (2) 短期靜載下溫度對材料力學(xué)性能的影響短期靜載下溫度對材料力學(xué)性能的影響20001750150012501000 750 500 250 0-200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 )MPa(s)(

11、 Cbs2 . 0s80706050403020100(%)溫度對鉻錳合金力學(xué)性能的影響溫度對鉻錳合金力學(xué)性能的影響溫度降低，塑性降低，強(qiáng)度極限提高溫度降低，塑性降低，強(qiáng)度極限提高 P(kN)-0 5 10 15 302010 0C20C196C253 l(mm)純鐵-0 5 10 15 302010 0C20C196C253 P(kN) l(mm)中碳鋼 溫度降低，溫度降低，s sb增大，為什么結(jié)構(gòu)會發(fā)生低溫脆斷？增大，為什么結(jié)構(gòu)會發(fā)生低溫脆斷？(3) (3) 高溫、長期靜載下材料的力學(xué)性能高溫、長期靜載下材料的力學(xué)性能金屬材料的高溫蠕變金屬材料的高溫蠕變(Creep)(Creep)（碳鋼（碳鋼350350C C以上）以上）BACDtO構(gòu)件的工作段不能超過穩(wěn)定階段構(gòu)件的工作段不能超過穩(wěn)定階段 e tOABCDE不穩(wěn)定不穩(wěn)定階段階段穩(wěn)定階段穩(wěn)定階段加速階段加速階段破壞破壞階段階段 e0材料的蠕變曲線材料的蠕變曲線溫度越高蠕變越快溫度越高蠕變越快應(yīng)力越高蠕變越快應(yīng)力越高蠕變越快s1s2s3s4溫度不變1234ssss應(yīng)力不變4321TTTTe2e1e3初應(yīng)力越大初應(yīng)力越大松弛的初速率越大松弛的初速率越大初始彈性應(yīng)變不變321TTTT1T3T2溫度越高溫度越高松弛的初速率越大松弛的初速率越大蠕