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【听强度君说】飞机结构全机疲劳试验

文章来源:   发布时间:2020-08-21 23:24:00   点击量:0

如果想要徒手折断一个薄薄的铝片,你会怎么做呢?强度君说,如果一次性弯折,也许很难使其折断,但只需要再反复的弯折几次,铝片很快就会折断。这个现象就是交变载荷对金属结构影响的体现。而对于飞机结构,使用过程中也会承受反复变化的载荷,称为疲劳载荷。在疲劳载荷作用下飞机结构可能开裂、裂纹扩展,最后造成结构破坏。

近几十年的使用经验表明,疲劳断裂是影响飞机结构可靠性的主要因素,由于影响疲劳断裂的因素很多,材料性能、构件几何形状、加载历程及环境条件等极为显著,仅靠理论分析无法准确反映飞机结构疲劳特性,需要通过疲劳试验进行验证。

全机疲劳试验

同全机静力试验一样,全机疲劳试验也是“积木式”验证体系的顶层。全机静力和全机疲劳试验均属于静态/准静态试验,两者在试验设计过程、加载方式以及控制、测量和无损检查方法等方面是相同或相似的。通过全机静力试验获得的结构初始“载荷-变形”特征,可以作为全机疲劳试验中满足变形要求和损伤控制的参考值,全机疲劳试验则是全机静力试验的延续。

全机疲劳试验主要是为确定飞机结构的使用寿命、制定使用维护要求提供试验依据。通常包括全机疲劳/耐久性、全机损伤容限和剩余强度试验。
全机疲劳试验按试验对象可分为新研飞机和在役飞机疲劳试验等。对于按照安全寿命设计的飞机,全机疲劳试验包括疲劳(安全寿命)试验、剩余强度试验;按耐久性/损伤容限设计的飞机,全机疲劳试验包括疲劳/耐久性试验、损伤容限试验、剩余强度试验。

01全机疲劳/耐久性试验

与全机静强度试验相同,全机疲劳/耐久性试验同样是使用以计算机为核心的多点协调加载控制系统,统一控制各种加载及测量设备对试验件进行载荷施加与测量,但对飞机结构施加的是疲劳交变载荷,用以模拟飞机在整个服役期内可能遇到的各种空中、地面使用情况,并通过检测飞机结构疲劳裂纹的萌生,确定疲劳薄弱部位。

1飞机载荷剖面图

对于安全寿命结构、不可检结构等至少要完成4倍使用寿命试验,对于耐久性结构至少要完成严重使用情况下2倍或基准使用情况下3倍使用寿命试验。对提前出现损伤的部位视情修理,以保证试验的顺利进行并为制定外场检修方案提供依据。

2全机疲劳/耐久性试验现场

02全机损伤容限试验
全机损伤容限试验,又称裂纹扩展试验,通常在全机耐久性试验完成试验目标寿命且主要结构部位出现了明显可检裂纹时进行。
全机损伤容限试验的流程、设计过程、加载方法等与全机疲劳/耐久性试验基本相同,一般与耐久性试验用同一试验件,主要以先期耐久性试验产生的裂纹为试验对象,获得裂纹扩展速率、扩展期、临界长度等损伤扩展特性,为制定飞机检查维护大纲、验证检测和修理方案提供支持。全机损伤容限试验一般采用基准使用情况下的平均谱,要完成0.5倍~1倍使用寿命试验,当结构关键部位损伤扩展至0.7倍~0.8倍临界裂纹长度时,损伤容限试验结束。

3全机损伤容限试验现场

03剩余强度试验

在完成全机疲劳/耐久性、损伤容限试验后,按照裂纹位置、破坏后影响等因素选取1条或数条价值高的裂纹重点考核,确定剩余强度试验考核部位和载荷,如垂尾/后机身结构、起落架支撑结构、机翼/中机身结构等,主要是验证飞机结构破损或局部破损后,剩余的未受损结构在不修理使用期内仍能保持所要求的剩余强度。剩余强度试验属于全机性大部件静强度试验,与全机静强度试验的流程、设计过程、加载方法等基本相同。
经过上述完整的全机疲劳试验过程,就可以确定该型飞机的疲劳寿命和修理周期,并根据疲劳试验中出现的问题,为飞机的细节改进提供思路,从而保证飞向蓝天的飞机安全可靠。

相对于全机静力试验,全机疲劳试验具有复杂程度高、试验规模大、持续时间长的特点,主要是:载荷谱复杂,全机静力试验是一种载荷工况对应一套静力谱,全机疲劳试验是由多种载荷工况、按一定的顺序和频次构成的疲劳谱;加载系统复杂,全机静力试验通常一种载荷工况通过一套加载系统实现加载,全机疲劳试验是几十种甚至几百种载荷工况通过一套加载系统实现加载;支持复杂,全机静力试验通常采取几种支持方式满足不同考核工况的试验支持,全机疲劳试验是几百种试验工况通过一种支持方式来支持。另外,全机疲劳试验至少要完成2.5倍以上使用寿命试验,因此,全机疲劳试验规模通常为全机静力试验的2倍以上,试验周期为5-10年。

我国在飞机结构强度试验与研究领域实力最强的是中国飞机强度研究所,也是我国航空工业领域内唯一的结构强度专业研究所,承担和完成了我国研制的几乎所有在役、在研型号的静力、疲劳、刚度、可靠性等鉴定与验证试验研究工作,涵盖了各类航空平台。

其中,全尺寸飞机结构静力/疲劳强度研究室现有4个处于国际先进水平的试验厂房,试验区域总面积超过20000平方米,拥有国际先进的加载控制系统和数据采集测量系统,加载控制1800余通道,数据采集3万余通道。通过多年以来的关键技术攻关和型号试验,已建立以全机结构强度总体验证技术、全机试验设计技术、全机试验控制技术、全机试验数据测量与分析技术、全机试验数字化技术等为核心的、相对完善的技术体系,具备承担2吨-200吨级飞机全机静力、疲劳试验的能力,试验能力和技术水平处于国内领先、国际先进水平,代表了国内航空领域全机结构静力/疲劳强度试验的最高水平。