转载浅议直升机结构疲劳问题原文地址:浅议直升机结构疲劳问题作者:马赫我们都有这样的生活经验。一段铁丝,弯一次一般不会断。但是反复弯折,或早或迟就会断开。这是什么原因呢?这里面涉及到材料的一个基本特性,疲劳。材料的疲劳是由交变载荷导致的。更确切的说,是由于材料中应力状态的改变而产生的。应力大小,方向的改变都会导致疲劳。还是拿弯曲铁丝做例子,让我们看看铁丝是怎样被弯断的。见图一。在这个状态下,铁丝上表面的材料处于拉伸应力中,而下表面材料处于压缩应力中。当弯曲的方向改变时,铁丝的受力状态见图二。和图一相反,这时铁丝上表面的材料处于压缩应力中,下表面材料处于拉伸应力中。由于我们反复的弯曲铁丝,铁丝上下表面不断的处于拉伸-压缩-拉伸这样的交替应力中。材料在这种反复应力状态下的强度要??于静止应力状态下的强度。当达到一定的弯曲次数后,铁丝就断了。反复应力状态下的材料强度就是材料的疲劳强度。静止应力状态下的材料强度就是材料的极限强度。材料的疲劳强度低于极限强度。这就是为什么我们不能一下把铁丝弯断,而要反复弯曲。图一图二材料的疲劳有两个主要特性。第一是应力越大,寿命越短。好比一根铁丝,反复弯曲的越厉害,断裂的越迅速。这是符合我们的生活直觉的。你反复弯曲一根铁丝越厉害,使铁丝断裂所需要弯曲的次数越少。第二是疲劳寿命具有累积性。比如,一根铁丝在弯曲一千次的时候会断裂。如果你今天弯曲了一百次,感觉累了,就把它放到一边。第二天你休息之后又有力气了,接着弯它。那么你需要再弯曲它多少次,铁丝才会断裂呢?是不是铁丝在休息了一夜之后,寿命又恢复到了一千次?不是的。由于你在前一天已经弯曲了它一百次,你只要再弯曲它九百次它就会断裂了。这就是材料寿命的累积性。可以说任何需要承受载荷的结构都要遇到材料疲劳的问题。建筑,汽车,轮船,飞机,等等。但是在航空上,材料的疲劳更是一个特别重要的问题。为什么呢?有两个主要原因。第一,因为重量对飞机来说是一个非常关键的设计参数。为了使得飞机有更好的性能和更大的载重量,飞机设计人员尽他们所能的降低飞机的结构重量。这就要求飞机的结构部件尺寸尽可能的小。在相同载荷下,一般来说部件尺寸越小,部件所要承受的应力越大。我们上面提到的材料疲劳的第一个特性就是应力越大,寿命越短。第二个原因是由飞机的受力特性决定的。飞机要比其他运输工具有更大的过载,也就是加速度。比如在飞机降落时,飞机的起落架要承受很大的过载。另外对战斗机???说,灵活的机动性要求飞机可以做高达好几倍重力加速度的过载。可以想象,这对飞机的承力结构来说提出了很高的强度要求。综合这两方面,我们说材料疲劳在航空领域是一个非常重要的问题。可以说,疲劳是不可避免的,就像一切生物的寿命都是有限的一样,材料的疲劳寿命也是有限的。工程师的任务之一是尽量保证飞机部件的结构疲劳寿命长于飞机的使用年限,也就是说保证飞机在使用年限中结构的安全性。人们对飞机材料疲劳特性重要性的认识是通过惨痛的事故才逐步认识到。1949,彗星号喷气式客机进行了首飞。这是世界上第一种投入生产的喷气式客机,由英国的德*哈维兰德公司开发生产。在投入运营之前,这种飞机经历了当时民航客机所经历的最为严格的各种测试。测试中的一项是飞机舷窗的静力测试。试验显示飞机的舷窗框架结构可以承??运营中将要遇到的最大压力十倍以上的压力。看样子舷窗是足够坚固了。由于性能优异,彗星飞机从五十年代初投入运营后受到了客户的热烈欢迎,成为了当时的热门产品。但是在1954年的前半年里,连续发生了两起彗星机毁人亡的严重事故。第一次事故发生在一月。这次事故还没有引起人们的完全重视,所以没有得到全面的调查。彗星飞机照样执行航班任务。五月份发生了第二起事故。第二起事故中,飞机空中解体,掉到了海里。这下子人们开始重视了。彗星飞机全部停飞。当时第二次出任英国首相的温斯顿*丘吉尔命令皇家海军打捞飞机残骸,一个大调查委员会开始对这两起事故进行彻底的调查。调查人员将彗星飞机的机体框架进行反复的加压-减压试验。在3057个周期之后,飞机前面逃逸舱门处的金属结构疲劳断裂了。调查人员进一步发现飞机方形舷??拐角处的应力比事先想象的要大,除此之外,飞机蒙皮中的应力也超过了预期。还有一个不容忽视的因素是在舷窗的安装中使用了冲击铆接这种铆接方法。和钻孔铆接不同,在冲铆的过程中,铆钉孔周边会出现一些缺陷。这种缺陷往往成为材料断裂的发源地。所有这些因素通过反复加压-减压导致的金属疲劳的形式反映出来,最终造成了飞机结构的断裂,导致了飞机的解体和事故。为什么要给飞机加压减压呢?加压-减压又是怎样导致金属疲劳的呢?我们知道大气压随着高度的增加而降低。人类最适于在一个大气压下生活。如果压力降低,人会感到不适,如果压力过低,甚至会有生命危险。所以飞机在高空中要给座舱增压,保持乘客和机组的舒适和安全。一般