1、安全壽命設(shè)計(jì)的不足 對(duì)結(jié)構(gòu)的任何關(guān)鍵部位的技術(shù)要求一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力 水平偏低，重量偏高；質(zhì)量控制成本較大。 用分散系數(shù)保證結(jié)構(gòu)的安全使用，但小概率事件時(shí)有發(fā) 生。 對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷漏檢情況下，難于保障結(jié)構(gòu)的安全。 對(duì)破損安全結(jié)構(gòu)無(wú)技術(shù)指導(dǎo)意義。 損傷容限概念結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用周期內(nèi)、抵抗由缺陷、裂紋或其他損傷而導(dǎo)致破壞的能力。7/25/20221 飛機(jī)在使用期間或制造初期允許出現(xiàn)裂紋（損傷）,甚至允許主要受力構(gòu)件發(fā)生裂紋（并無(wú)危及結(jié)構(gòu)安全）。利用斷裂力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)裂紋在一定限度內(nèi)（損傷容限設(shè)計(jì)）,保證結(jié)構(gòu)有足夠的剩余強(qiáng)度、剛度（能繼續(xù)承載）, 利用定期的檢差維修保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用

2、的安全可靠,而不致發(fā)生災(zāi)難事故。 損傷容限設(shè)計(jì)概念把握好含裂結(jié)構(gòu)的裂紋的基本特性斷裂力學(xué)7/25/202223.4.1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 斷裂力學(xué)概念 以含裂體的特征參數(shù)(幾何、載荷)表征其內(nèi)力、形變規(guī)律，研究含裂體剩余強(qiáng)度規(guī)律及破壞準(zhǔn)則, 包括交變載荷作用下的裂紋演變規(guī)律及壽命估算分析等。 含裂體基本構(gòu)形 穿透型；表面橢圓裂紋型；深埋錢(qián)幣型。7/25/20223斷裂的分類(lèi)與特征 7/25/20224線彈性斷裂力學(xué)基礎(chǔ) 裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)分布及其應(yīng)力特征參數(shù)（應(yīng)力強(qiáng)度因子） 無(wú)窮大板中心一橢圓 (a, b)孔邊的應(yīng)力集中 或應(yīng)力集中增大 變成裂紋7/25/20225r2 a無(wú)窮大薄板穿透裂紋裂尖近

3、區(qū)應(yīng)力分布解 1957年 ( IRWIN )（Nm -1.5，MPam），注意這里的 是遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力。7/25/20226Remarks: 裂尖有 奇異性, 裂尖應(yīng)力無(wú)窮大(理論線彈性體解); 表征了裂尖彈性應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度(數(shù)學(xué)上的無(wú)窮大量級(jí)) ； 理論研究表明: 對(duì)一定規(guī)則幾何邊界,在剪切、撕裂載荷等方 式下,其K 值為: Fi - 幾何邊界修正系數(shù) 對(duì)于其它裂紋形狀,載荷作用位置及幾何邊界條件等,有: 7/25/20227近裂區(qū)應(yīng)力分布形式不變，即 不變；K 值計(jì)算有不同形式。 K 顯得十分重要,更重要的在于它可作為材料斷裂判據(jù), 應(yīng)用方便 ，故作為彈性含裂體的重要應(yīng)力表征參數(shù), 稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子

4、。 應(yīng)力強(qiáng)度因子的小屈服范圍條件修正 小范圍屈服條件: 塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于構(gòu)件和裂紋幾何尺寸的條件。 工程中的合金材料都有一定的延性，裂尖區(qū)域不可能出現(xiàn)應(yīng)力奇 異，K值不復(fù)存在，線彈性斷裂力學(xué)理論應(yīng)用受阻。 細(xì)致研究表明，在小范圍屈服條件下，通過(guò)某種原則對(duì)裂紋長(zhǎng)度 進(jìn)行修正，使得在工程材料中應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)的理論成果 。7/25/20228 應(yīng)力場(chǎng)等效修正原則: 修正后的彈性應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際應(yīng)力分布在離開(kāi)裂尖的一個(gè)小范圍后彈性場(chǎng)的應(yīng)力分布基本一致。 Ryaeffa0 x結(jié) 論：7/25/20229 理想塑性區(qū)計(jì)算（用Tresca判據(jù)計(jì)算塑性區(qū)形狀及大?。⒔褏^(qū)應(yīng)力分布代入上式計(jì)算平面應(yīng)力狀態(tài)平面

5、應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)的裂尖塑性區(qū)形狀 7/25/202210取= 0 得理論值： 平面應(yīng)力： 平面應(yīng)變： 實(shí)際材料不是理想彈塑性體,且Tresca判據(jù)亦有偏差，最終： 平面應(yīng)力平面應(yīng)變 應(yīng)力強(qiáng)度因子修正計(jì)算(彈塑性材料含裂體) 7/25/202211 斷裂（靜拉伸載荷下裂紋撕裂）的能量判據(jù) 斷裂判據(jù)的作用 已知載荷作用下,一定裂紋長(zhǎng)度的含裂結(jié)構(gòu)能否破壞(剩余強(qiáng)度) ； 一定裂紋形狀 、幾何尺寸下, 破壞所需的載荷大小(臨界載荷)； 一定載荷條件下, 結(jié)構(gòu)允許的裂紋長(zhǎng)度是多少(損傷容限) ； 工程上還關(guān)心如下問(wèn)題： 含裂結(jié)構(gòu)在不發(fā)生斷裂情況下, 反復(fù)載荷下的裂紋擴(kuò)展規(guī)律； 如何確定安全檢查周期（

6、決定裂紋檢查間隔, 決定在怎樣維修)。 7/25/202212(Griffith能量理論,適用于脆性材料或小范圍屈服條件的金屬) 斷裂的能量概念穿透裂紋的表面微元 單位表面能（新生單位裂紋表面所需的能量）：材料中原子鍵 破斷的單位面積，為與材料原子間結(jié)合力有關(guān)的一個(gè)材料常數(shù)。 系統(tǒng)勢(shì)能 ：U: 彈性體的變形能；W: 外力位能。系統(tǒng)的能量釋放率 （形成單位裂紋表面系統(tǒng)勢(shì)能的降低/釋放量） 新生裂紋面的能量守恒條件 對(duì)于一個(gè)含裂體的U、W 是外載 和裂紋面 A(B da)的函數(shù) 7/25/202213i) 外載作用于含裂體的微元功功 率: ii) 新生單位裂紋面的外載功率表達(dá)式: 考慮靜加載條件：

7、 7/25/202214iii）系統(tǒng)的能量釋放率 解釋: 新生單位裂紋表面，系統(tǒng)的能量釋放率為一常數(shù)(彈性體)； G 為裂紋幾何尺寸、形狀、位置、外載作用位置的一個(gè)力學(xué) 表達(dá)式(一定情況下有顯式表達(dá))； G （量綱為N / m） , 可理解為裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度所需的力(又稱裂紋擴(kuò)展力/驅(qū)動(dòng)力)； 2 又可稱謂裂紋擴(kuò)展阻力, 取名有 R， Gc 。7/25/202215 斷裂（裂紋開(kāi)裂）的能量判據(jù)由以上能量守恒條件, 當(dāng)擴(kuò)展力(驅(qū)動(dòng)力)大于擴(kuò)展阻力時(shí), 能夠新生單位裂紋面，即 （Griffith 能量條件） 裂紋繼續(xù)開(kāi)裂的能量判據(jù)穩(wěn)定擴(kuò)展:只有進(jìn)一步增加外載, 才能迫使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的情況;非穩(wěn)定擴(kuò)

8、展: 一經(jīng)開(kāi)裂，即使外載不增加, 裂紋也會(huì)迅速擴(kuò)展下去。 顯然由裂紋擴(kuò)展后的能量釋放率的降低與增加來(lái)決定, 這取決于G的算式 (實(shí)際取決于載荷作用方式與含裂體構(gòu)形) 7/25/202216 裂紋擴(kuò)展的阻力曲線1非穩(wěn)擴(kuò)展2穩(wěn)定擴(kuò)展a0aR, Gcc因工程材料有延性, Gc 不再單純是單位表面能的函數(shù)，需改寫(xiě)為： 無(wú)窮大板中心穿透裂紋板的系統(tǒng)能量釋放率： 厚體平面應(yīng)變薄板平面應(yīng)力為臨界載荷點(diǎn), 只要當(dāng) 裂紋一經(jīng)開(kāi)裂,迅速發(fā)展。 7/25/202217 應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂判據(jù)（K判據(jù)）與平面應(yīng)變斷裂韌性 能量判據(jù)在工程材料中難于應(yīng)用材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，2 值分散性太大,與實(shí)際工程量有較大出入； Up為近

9、裂區(qū)的場(chǎng)量，在應(yīng)用中難以測(cè)定與計(jì)算。 使用應(yīng)力強(qiáng)度因子作為判據(jù)的思考彈性能釋放率與K 的數(shù)值關(guān)系相近 平面應(yīng)力平面應(yīng)變K的計(jì)算簡(jiǎn)單又表征裂尖一點(diǎn)處的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)；試驗(yàn)容易獲??；關(guān)鍵是場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定時(shí),能否表現(xiàn)為材料 的斷裂常數(shù) ？ 7/25/202218BKIC平面應(yīng)變狀態(tài)實(shí)驗(yàn)表明: 僅當(dāng)在小范圍屈服條件 (厚板或較短裂紋)，K為常數(shù) 。小范圍屈服條件： 即滿足上式條件下,可應(yīng)用KI C判據(jù)；KI C 稱為平面應(yīng)變斷裂韌性。 K判據(jù)非穩(wěn)定擴(kuò)展穩(wěn)定擴(kuò)展7/25/202219 工程應(yīng)用 檢查含裂體斷裂強(qiáng)度：KI C 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)給定，計(jì)算KI ，由 KI = KIC 確定剩余強(qiáng)度： aiacic 判斷含裂結(jié)

10、構(gòu)的安全性 KI 10-3 m/c Paris 公式 (proper II)Forman 公式 (proper III)Walker公式 (proper I)7/25/202225 影響 的各種因素 頻率 f ,材料有阻尼，頻率太高材料不能及時(shí)響應(yīng)； 溫度T ,裂尖原子獲得激活能形成空穴，速率加大； 腐蝕, 金屬氧化、電子丟失（物質(zhì)傳輸）、氫脆。 壽命估算分析復(fù)雜性： 高載遲滯效應(yīng)； da/dN 隨機(jī)性（外在的載荷、環(huán)境隨機(jī)，內(nèi)在速率隨機(jī)）。 公式應(yīng)用的準(zhǔn)確性及誤差等； a0air0ri7/25/2022267/25/2022273.4.2 損傷容限設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)的若干方面 制定設(shè)

11、計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊(cè) 結(jié)構(gòu)分類(lèi)、設(shè)計(jì)原則(從結(jié)構(gòu)的承載安全性要求、使用維護(hù)特 性角度，規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型，各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型應(yīng)當(dāng)有什么樣的設(shè) 計(jì)原則來(lái)保證損傷容限體系的貫徹)； 結(jié)構(gòu)材料的選擇（靜強(qiáng)度、斷裂韌性及裂紋擴(kuò)展綜合選材）； 結(jié)構(gòu)布局（傳力路線及止裂設(shè)計(jì)）, 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)(抗斷裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))； 裝配制造工藝控制(加工質(zhì)量, 裝配應(yīng)力控制等)。 7/25/2022277/25/202228 結(jié)構(gòu)的損傷容限分析計(jì)算 危險(xiǎn)部位的選擇、分析及確定 ； 載荷和應(yīng)力譜的分析與制定； 初始損傷品質(zhì)評(píng)定(以焊接構(gòu)件舉例)； 裂紋擴(kuò)展計(jì)算與壽命估算； 剩余強(qiáng)度計(jì)算與損傷容限評(píng)估。 結(jié)構(gòu)的損傷容限驗(yàn)證性試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)的使用與維

12、修 結(jié)構(gòu)損傷的無(wú)損檢測(cè)方法； 檢查能力評(píng)估與檢查間隔制定； 制定結(jié)構(gòu)的使用維修大綱。7/25/2022287/25/202229損傷容限設(shè)計(jì)的基本概念 設(shè)計(jì)概念：承認(rèn)初始缺陷, 控制缺陷增長(zhǎng), 用分析及檢查的方法 來(lái)保證結(jié)構(gòu)使用的安全可靠。 設(shè)計(jì)目標(biāo): 通過(guò)損傷容限設(shè)計(jì)和裂紋擴(kuò)展及剩余強(qiáng)度分析, 保證 飛機(jī)結(jié)構(gòu)在未修使用期內(nèi), 其剩余結(jié)構(gòu)能夠承受使用 載荷,不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞或過(guò)分變形, 提供足夠安全 性所要求的檢查水平。 設(shè)計(jì)要素 : 臨界裂紋尺寸或剩余強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)最大的損傷容限能力） 裂紋擴(kuò)展（把握損傷過(guò)程的發(fā)展，提供檢修依據(jù)） 損傷檢查 （依據(jù)可檢度確定不同部位的檢修方法與手段）互相補(bǔ)充7/

13、25/2022297/25/202230 設(shè)計(jì)方法 : 結(jié)構(gòu)材料的精心選擇、使用和控制； 選擇結(jié)構(gòu)類(lèi)型, 并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布局(止裂、開(kāi)敞性)設(shè)計(jì)； 合理地制造和工藝過(guò)程的質(zhì)量控制計(jì)劃； 合理控制使用應(yīng)力水平； 制定精細(xì)的檢驗(yàn)程序(按結(jié)構(gòu)類(lèi)型、可檢度確定檢查要求、間 隔同期、檢查手段等)。7/25/2022307/25/202231 設(shè)計(jì)步驟 : 設(shè)計(jì)使用載荷譜(據(jù)疲勞損傷統(tǒng)計(jì)分析理論, 簡(jiǎn)化成能在設(shè)計(jì) 和試驗(yàn)中使用的計(jì)算譜和實(shí)驗(yàn)譜。由此計(jì)算出構(gòu)件危險(xiǎn)部位的 應(yīng)力譜和應(yīng)力強(qiáng)度因子變程譜)； 選擇關(guān)鍵件(據(jù)設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)力分析、可檢水平等確定 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件的危險(xiǎn)部位,進(jìn)行裂紋擴(kuò)展剩余強(qiáng)度分析,

14、有效地實(shí) 施斷裂控制)； 合理選材(兼顧靜強(qiáng)度、剛度、斷裂韌性、重量、加工性、成本 以及抗腐蝕性能等綜合選材)； 結(jié)構(gòu)分類(lèi)（據(jù)結(jié)構(gòu)的功能特征、安全性程度及裂紋可檢度要求 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi), 按類(lèi)型設(shè)計(jì)成相應(yīng)的飛行安全結(jié)構(gòu)）；7/25/2022317/25/202232 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（除一般的抗疲勞細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)外, 還應(yīng)盡可能地提高損傷 可檢性）； 確定初始缺陷 （對(duì)不同的關(guān)鍵部位、不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型，按 規(guī)范要求確定初始缺陷尺寸或應(yīng)用當(dāng)量方法折算)； 損傷容限分析（對(duì)危險(xiǎn)部位的臨界尺寸、剩余強(qiáng)度、擴(kuò)展速率壽 命進(jìn)行分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、改進(jìn)設(shè)計(jì), 直到滿足要求）； 損傷容限試驗(yàn) （驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)達(dá)到損傷容限規(guī)范

15、要求否(構(gòu)件/ 全尺寸)； 制定使用維護(hù)大綱（據(jù)分析和試驗(yàn)結(jié)果給出不同結(jié)構(gòu)部位的檢查 方法，檢修周期和允許的最大初始損傷和臨界損傷。7/25/2022327/25/202233損傷容限設(shè)計(jì)中主要問(wèn)題分析 合理地選擇結(jié)構(gòu)材料 材料強(qiáng)度與韌性的關(guān)系 要求綜合的材料斷裂性能：LY12LC4、LC92 ，7 材料裂紋不同階段的擴(kuò)展速率特性 視不同的結(jié)構(gòu)部位和主要關(guān)心的裂紋擴(kuò)展階段來(lái)選取。 材料與載荷/環(huán)境譜的關(guān)系 不能僅考慮常幅載荷下的特性,還要考慮在譜載荷下行為好的 材料,即考慮遲滯效應(yīng), 應(yīng)力比等影響因素，材料裂紋擴(kuò)展對(duì) 環(huán)境以及溫度的敏感性。 7/25/2022337/25/202234 損傷容

16、限結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的確定原則 飛行安全結(jié)構(gòu)必須確定為斷裂關(guān)鍵件，或稱損傷容限危險(xiǎn)構(gòu) 件； 考慮破壞的后果和危險(xiǎn)程度。結(jié)構(gòu)或局部部位的損傷危及到使 用功能、飛行性能、飛機(jī)及人員安全或?qū)е轮饕到y(tǒng)失效時(shí), 應(yīng)選為危險(xiǎn)部位； 結(jié)構(gòu)形式、受力情況和強(qiáng)度儲(chǔ)備條件差的(整體結(jié)構(gòu)、所有單傳 力結(jié)構(gòu)、應(yīng)力水平高、應(yīng)力集中嚴(yán)重部位、剛度不足、振動(dòng)較 大的部位)； 材料的理化、機(jī)械、工藝性能差的部位和構(gòu)件(如疲勞缺口敏感 性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件)；7/25/2022347/25/202235 損傷容限結(jié)構(gòu)的分類(lèi)與設(shè)計(jì)類(lèi)型 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分類(lèi)由設(shè)計(jì)概念(危及飛行安全的程度)和可檢度決定。 設(shè)計(jì)概念主要取決于結(jié)構(gòu)的安全性及功能性要求。

17、 可檢性取決于結(jié)構(gòu)部位的可達(dá)性、損傷性質(zhì)及檢查經(jīng)驗(yàn)等。 構(gòu)件所處的環(huán)境條件惡劣者(高溫、高壓、腐蝕、振動(dòng)等)； 可檢度低、維修更換可能性小、不可檢結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮在內(nèi)； 強(qiáng)度計(jì)算的薄弱環(huán)節(jié)； 加工工藝質(zhì)量難以保證,成本高,生產(chǎn)周期長(zhǎng)的構(gòu)件。 7/25/2022357/25/202236 緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu) （用于損傷特性不利于控制或重要安全結(jié)構(gòu)部位） 單傳力結(jié)構(gòu)（靜定結(jié)構(gòu)：起落架等）； 整體結(jié)構(gòu)(沒(méi)有止裂性能, 對(duì)功能性及安全威脅較大)； 場(chǎng)站或基地可檢, 使用中不可檢結(jié)構(gòu)等（結(jié)構(gòu)油箱）； 功能性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)部位（氣密座艙)； 翼梁接頭等關(guān)鍵安全部位。座艙蓋 損傷容限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)型 緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(安全裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu))； 破損安全結(jié)構(gòu)：又分安全止裂結(jié)構(gòu)；破損安全多路傳力結(jié)構(gòu)。7/25/2022367/25/202237 破損安全結(jié)構(gòu) （用于對(duì)安全性、功能性威脅較小, 有止裂特性/多路傳力特性,可檢性較好的結(jié)構(gòu) ） 基本特征 剩余結(jié)構(gòu)能經(jīng)受使用載荷； 能在設(shè)計(jì)速度范圍內(nèi)操縱飛機(jī)； 到下次檢查前,