一種基于系列材料性能指標(biāo)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于系列材料性能指標(biāo)的飛機(jī)結(jié)構(gòu) 選材方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛機(jī)作為一種空中運(yùn)載工具，具有結(jié)構(gòu)破損后事故率高、運(yùn)行成本高的特點(diǎn)，因 此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)對其材料的選取具有明確的要求:一是強(qiáng)度要求，W保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的服役安 全;二是重量要求，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下盡可能地減輕結(jié)構(gòu)重量，使飛行成本最低。
[0003] 隨著飛機(jī)性能指標(biāo)的不斷提高，為了保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想經(jīng) 歷了靜強(qiáng)度設(shè)計階段，靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計階段，強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)安全壽命設(shè)計階段W及強(qiáng) 度、剛度、損傷容限和耐久性設(shè)計階段。結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計思想要求結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度滿足規(guī)定的 要求;結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計思想要求結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)定的要求;結(jié)構(gòu)安全壽命設(shè)計思想要求結(jié) 構(gòu)的疲勞壽命滿足規(guī)定的要求;結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計思想要求結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壽命滿足規(guī)定的要 求;結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計思想要求在存在初始缺陷的條件下結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展壽命滿足規(guī)定的要 求。現(xiàn)階段，我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的是包括了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、安全壽命、耐久性和損傷容 限等的結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計思想：首先，飛機(jī)結(jié)構(gòu)均要滿足靜強(qiáng)度和剛度設(shè)計要求;其次，根據(jù) 飛機(jī)結(jié)構(gòu)中具體部位的任務(wù)特點(diǎn)，選擇其不同的設(shè)計要求。例如，飛機(jī)的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)一般 要滿足損傷容限和耐久性設(shè)計要求，應(yīng)力敏感性高或不易檢查維修的特定結(jié)構(gòu)一般要滿足 安全壽命設(shè)計要求，飛機(jī)的大部分承力結(jié)構(gòu)一般要滿足可W進(jìn)行經(jīng)濟(jì)修理的耐久性要求 等。
[0004] 上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想均有其對應(yīng)的材料性能參數(shù)，例如，結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計對應(yīng)了 材料的抗拉強(qiáng)度，其表征了材料抵抗靜拉伸載荷的能力；結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計對應(yīng)了材料的彈性 模量，其表征了材料抵抗變形的能力;結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計對應(yīng)了材料的斷裂初性，其表征 了材料抵抗疲勞斷裂的能力；結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計和安全壽命設(shè)計對應(yīng)了材料的疲勞極限 等，其表征了材料抵抗疲勞開裂的能力。上述的材料性能參數(shù)僅反映了材料的機(jī)械性能，若 應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的選材中還需考慮材料的密度，即需要考慮單位重量下材料的機(jī)械性能水 平。為此，人們在工程實(shí)踐中提出了材料比強(qiáng)度和比剛度的概念。比強(qiáng)度又叫強(qiáng)度-重量比， 是材料的抗拉強(qiáng)度與材料密度的比值；比剛度又叫比模數(shù)或比彈性模量，是材料的彈性模 量與材料密度的比值。材料的比強(qiáng)度越大，表明結(jié)構(gòu)在達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度時所用的材料質(zhì)量越 輕，也就是說材料在承載時的效能越高;材料的比剛度越大，表明結(jié)構(gòu)在達(dá)到相應(yīng)剛度時所 用的材料質(zhì)量越輕。
[0005] 然而，比強(qiáng)度僅反映了材料在單位重量下的靜強(qiáng)度性能，比剛度僅反映了材料在 單位重量下的剛度性能，實(shí)際上大部分的飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受的是疲勞交替載荷，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計 思想也不盡相同。因此，本專利提出了一種飛機(jī)結(jié)構(gòu)的選材方法，在比強(qiáng)度(又稱材料比靜 強(qiáng)度）、比剛度的基礎(chǔ)上，提出了材料比疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度比、比初度、靜強(qiáng)初比、疲勞強(qiáng)初 比共5個材料性能指標(biāo)，并給出了根據(jù)7個材料性能指標(biāo)進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的方法步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有產(chǎn)品中不足，提供一種基于系列材料性能指標(biāo)的飛機(jī)結(jié) 構(gòu)選材方法。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明的一種基于系列材料性能指標(biāo)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材方法，該方法包括下列步 驟：
[0009] 1)根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求確定選材的結(jié)構(gòu)對象；
[0010] 2)確定結(jié)構(gòu)功能與設(shè)計要求；
[0011] 3)確定結(jié)構(gòu)重要度和維修成本；
[0012] 4)確定結(jié)構(gòu)受力情況和功能需求；
[0013] 5)根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度和維修成本確定五種結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則，根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求 初步設(shè)定備選材料范圍，在根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況、功能需求進(jìn)一步設(shè)定備選材料范圍；
[0014] 6)根據(jù)結(jié)構(gòu)的承力特性、至少一種結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則、備選材料范圍進(jìn)行材料對比并 排序；
[0015] 7)進(jìn)行材料選擇；
[0016] 8)判斷所選材料是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、使用要求，如果所選材料滿足結(jié)構(gòu)設(shè) 計、制造、使用要求，則進(jìn)行確定結(jié)構(gòu)最終選材，如果所選材料不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、使用 要求，則重新進(jìn)行材料選擇，直到所選材料滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、使用要求，若重新進(jìn)行材料 選擇，所選材料還是無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、使用要求，則更改結(jié)構(gòu)功能與設(shè)計要求。
[0017] 本發(fā)明的選材的結(jié)構(gòu)對象為構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體的組成結(jié)構(gòu)或者當(dāng)其失效時會對飛行 安全造成威脅的結(jié)構(gòu)。
[0018] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)功能包括承力、傳力、保持飛機(jī)的氣動外形、形成特定的局部空間。
[0019] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)重要度為飛機(jī)結(jié)構(gòu)失效后對飛行安全的影響程度。
[0020] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則為針對不同因素采取不同的設(shè)計準(zhǔn)則，設(shè)計準(zhǔn)則包括靜強(qiáng) 度設(shè)計準(zhǔn)則、損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則、耐久性設(shè)計準(zhǔn)則、安全壽命設(shè)計準(zhǔn)則。
[0021] 本發(fā)明的因素包括承力結(jié)構(gòu)、飛機(jī)的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性的角度、飛機(jī)中的超高 強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)、飛機(jī)中不便于檢查和維修的結(jié)構(gòu)，根據(jù)承力結(jié)構(gòu)采取靜強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則、根據(jù)飛 機(jī)的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)采取損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則、根據(jù)經(jīng)濟(jì)性的角度采取耐久性設(shè)計準(zhǔn)則、根據(jù) 飛機(jī)中的超高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)采取安全壽命設(shè)計準(zhǔn)則、根據(jù)飛機(jī)中不便于檢查和維修的結(jié)構(gòu)采 取安全壽命設(shè)計準(zhǔn)則。
[0022] 本發(fā)明的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求包括承載要求、重量要求、體積要求、抗腐蝕性要 求、破損安全性要求、焊接性能、透光度要求、熱環(huán)境要求、電磁屏蔽性要求、絕緣性要求、成 本要求。
[0023] 本發(fā)明根據(jù)透光度要求初步設(shè)定備選材料范圍在透光性材料的范圍，根據(jù)熱環(huán)境 要求初步設(shè)定備選材料范圍在耐熱性材料的范圍，根據(jù)電磁屏蔽性要求初步設(shè)定備選材料 范圍在無電磁遮蔽性材料的范圍，根據(jù)無設(shè)計需求初步設(shè)定備選材料范圍在鋼、侶合金、鐵 合金、復(fù)合材料中。
[0024] 只根據(jù)靜強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則指的是只受靜載的結(jié)構(gòu)或在全壽命周期內(nèi)受載荷大的循 環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)的剛度要求低，材料的剛度能自動滿足結(jié)構(gòu)要求，根據(jù)備選材料的比 靜強(qiáng)度進(jìn)行對比排序，比靜強(qiáng)度最大的材料最優(yōu)；
[0025] 只根據(jù)剛度設(shè)計準(zhǔn)則指的是結(jié)構(gòu)達(dá)到剛度設(shè)計指標(biāo)，材料能夠自動滿足靜強(qiáng)度要 求，僅需根據(jù)備選材料的比剛度進(jìn)行對比排序，比剛度最大的材料最優(yōu)；
[0026] 只根據(jù)損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則指的是結(jié)構(gòu)達(dá)到損傷容限設(shè)計指標(biāo)，而且材料能夠滿足 結(jié)構(gòu)在含裂紋狀態(tài)下的靜強(qiáng)度和剛度要求，根據(jù)備選材料的比初度進(jìn)行對比排序，比初度 最大的材料最優(yōu)；
[0027] 只根據(jù)耐久性設(shè)計準(zhǔn)則指的是在結(jié)構(gòu)達(dá)到耐久性設(shè)計指標(biāo)時，而且所用材料滿足 靜強(qiáng)度和剛度要求，則根據(jù)備選材料的比疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對比排序，比疲勞強(qiáng)度最大的材料 力學(xué)性能最優(yōu)；
[0028] 只根據(jù)安全壽命設(shè)計準(zhǔn)則指的是在結(jié)構(gòu)達(dá)到安全壽命設(shè)計指標(biāo)時，而且所用材料 滿足結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度要求，根據(jù)備選材料的比疲勞強(qiáng)度進(jìn)行對比排序，比疲勞強(qiáng)度最 大的材料最優(yōu)；
[0029] 根據(jù)至少兩種設(shè)計準(zhǔn)則，則要根據(jù)各設(shè)計準(zhǔn)則對應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)之比，根據(jù)疲勞強(qiáng) 度比、靜強(qiáng)初比或疲勞強(qiáng)初比進(jìn)行對比排序。
[0030] 比靜強(qiáng)度指的是比強(qiáng)度，也就是丫。/P，是指材料的抗拉強(qiáng)度Ob與材料密度P的比 值，即丫。/P = 〇b/p，材料的抗拉強(qiáng)度Ob是指材料斷裂時的臨界應(yīng)力；
[0031] 比剛度就是丫 e/p，指的是材料的彈性模量E與材料密度P的比值，即丫 e/p = E/p;
[0032] 比初度就是丫 k/p，指的是材料的斷裂初性Kie與材料密度P的比值，即丫 k/p = Kic/p [00削比疲勞強(qiáng)度就是丫 S/P，指的是材料的疲勞極限S-1與材料密度P的比值，即丫 s/p = S-i/p，材料的疲勞極限S-1是指在應(yīng)力比R = -l的等幅疲勞載荷下，材料可W承受無限次應(yīng) 力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力，其反映了材料抵抗疲勞開裂或材料疲勞性能的水平；
[0034] 疲勞強(qiáng)度比就是丫 S/。，指的是材料的疲勞極限S-1與抗拉強(qiáng)度Ob的比值，即丫 3/。= S-i/〇b，疲勞強(qiáng)度比表示的是耐久性準(zhǔn)則與靜強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則之間的偏重程度；
[0035] 靜強(qiáng)初比就是丫 S/。，指的是材料的斷裂初性Kic與抗拉強(qiáng)度Ob的比值，即丫 k/n = Kic/ 曰b，靜強(qiáng)初比表示的是損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則與靜強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則之間的偏重程度；
[0036] 疲勞強(qiáng)初比就是丫 k/s，指的是材料的斷裂初性Kic與疲勞極限S-1的比值，即丫 k/s = Kic/S-i，疲勞強(qiáng)初比表示是損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則與安全壽命設(shè)計準(zhǔn)則或耐久性準(zhǔn)則之間的偏 重程度。
[0037] 本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明完善材料評價體系并合理地確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材提 供理論和方法支持，從而在保證飛行安全和飛機(jī)技術(shù)