飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想變遷（五）

文/圖王辰胡丹

在使用了“疲勞-安全壽命設(shè)計(jì)”之后，結(jié)構(gòu)的安全性得到了增強(qiáng)，但是這并

不代表航空結(jié)構(gòu)工程師們就可以高枕無(wú)憂了，只要人類還在向更快、更高、更

強(qiáng)的目標(biāo)發(fā)起挑戰(zhàn)，就必須用發(fā)展的眼光看待問(wèn)題。傳統(tǒng)的“安全壽命設(shè)計(jì)”

要求結(jié)構(gòu)在一定的使民期間內(nèi)不產(chǎn)生疲勞裂紋。這種設(shè)計(jì)忽視了裂紋擴(kuò)展階

段，特別是大型多通道傳力結(jié)構(gòu)，這一階段有時(shí)是相當(dāng)長(zhǎng)的；此外“安全壽命

設(shè)計(jì)”還未考慮在使用期間內(nèi)如何實(shí)施檢修制度，以排除可能出現(xiàn)的意外損傷

和初始缺陷，因此安全壽命設(shè)計(jì)并不能保證安全。

損傷容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)學(xué)科之一就是斷裂力學(xué)，這是一門研究材料及結(jié)構(gòu)斷裂強(qiáng)

度的力學(xué)。它的發(fā)展也和人類不斷致力于發(fā)展高強(qiáng)度材料有關(guān)。在工程實(shí)際特

別是飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為了以較輕的重量承受較大的載荷，需要高強(qiáng)度的材料。高

強(qiáng)度材料的廣泛使用帶來(lái)了新的問(wèn)題，在實(shí)際使用中不斷出現(xiàn)了一些低應(yīng)力下

斷裂的嚴(yán)重事故，也就是在應(yīng)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限的時(shí)候結(jié)構(gòu)就發(fā)生了斷裂。例

如，1950年美國(guó)“北極星”導(dǎo)彈的固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在試射時(shí)由于殼體斷裂發(fā)生

爆炸事故，而其應(yīng)力比材料的強(qiáng)度極限要小得多。1967年12月美國(guó)俄亥俵河

上一座橋梁發(fā)生異常振動(dòng)，并伴有響亮的破裂聲，最后倒塌碎裂成24塊墜入

河中，而這時(shí)的載荷只達(dá)到設(shè)計(jì)載荷的10%左右。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)方面，1969年

12月，美國(guó)一架FT11戰(zhàn)斗轟炸機(jī)在執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)中做投彈-改出動(dòng)作時(shí)，

左側(cè)機(jī)翼脫落導(dǎo)致飛機(jī)墜毀。事后分析當(dāng)時(shí)飛機(jī)的速度、重量和過(guò)載等指標(biāo)均

遠(yuǎn)低于最大設(shè)計(jì)指標(biāo)，在正常情況下絕不應(yīng)該出現(xiàn)這種事故。其主要原因是機(jī)

翼框軸在進(jìn)行熱處理工藝的時(shí)候由于處理不當(dāng)使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了缺陷從而引

起了低應(yīng)力下的斷裂。這些事故的發(fā)生使人們認(rèn)設(shè)到高強(qiáng)度材料不一定在任何

情況下都“強(qiáng)”，不一定在任何情況下抵抗裂紋的能力都高。究其原因在于結(jié)

構(gòu)內(nèi)部可能存在著微小但是不可忽視的裂紋等缺陷，它們的破壞過(guò)程不是應(yīng)力

達(dá)到強(qiáng)度極限而破壞，而是在低于強(qiáng)度極限的應(yīng)力下的微小裂紋擴(kuò)展而造成的

斷裂。這種低應(yīng)力下的斷裂現(xiàn)象是由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在著微小裂紋而產(chǎn)生的，

而在實(shí)際結(jié)構(gòu)中微小裂紋的產(chǎn)生卻是無(wú)法避免和無(wú)法預(yù)測(cè)的。因?yàn)樵斐晌⑿×?/p>

紋的原因很多，它可能是來(lái)自材料的冶煉過(guò)程中夾雜的氣泡，也可能是由于在

工藝過(guò)程中經(jīng)過(guò)焊接、電鍍以及冷加工等產(chǎn)生，甚至是在飛機(jī)裝配過(guò)程中工人

手中的工具掉落在結(jié)構(gòu)上造成。這些微小裂紋是我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初所沒(méi)有考慮到

的，在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往是認(rèn)為結(jié)構(gòu)是完整的、不存在初始

缺陷的，這樣只要能夠滿足靜強(qiáng)度、剛度和疲勞哇能的要求，結(jié)構(gòu)就是安全

的，而初始缺陷的存在使得“安全壽命設(shè)計(jì)”這種設(shè)計(jì)思想已經(jīng)無(wú)法完全保證

結(jié)構(gòu)的安全性。所以從二十世紀(jì)六十年代末期起的幾年中，原來(lái)按照疲勞安全

壽命設(shè)巾的多種美國(guó)空軍飛機(jī)都出現(xiàn)了斷裂事故。

損傷容限設(shè)計(jì)可以看作是在安全壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上引入破損安全機(jī)制，這種設(shè)

計(jì)原則認(rèn)為，某些重要承力構(gòu)件出現(xiàn)不大的損傷（裂紋）后，在所規(guī)定的檢修

期內(nèi)仍能安全地工作，允許飛機(jī)構(gòu)件在使用期間出現(xiàn)疲勞裂紋，但是要保證裂

紋的擴(kuò)展速率很慢，能夠使構(gòu)件有足夠的剩余強(qiáng)度持續(xù)工作，直到下次檢修時(shí)

予以發(fā)現(xiàn)、修復(fù)或更換。這樣，保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題就變成了如何正確

地、適當(dāng)?shù)剡x擇構(gòu)件材料，采取止裂措施和確定飛機(jī)檢修時(shí)間。

安全壽命設(shè)計(jì)認(rèn)為結(jié)構(gòu)使用前完好無(wú)損，不存在初始缺陷（裂紋），而且希望

飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)不出現(xiàn)裂紋，據(jù)此確定一個(gè)零部件或整機(jī)在飛-續(xù)-飛譜

作用下的安全使用壽命而損傷容限設(shè)計(jì)則承認(rèn)結(jié)構(gòu)在使用前存在初始缺陷（一

條或幾條主裂紋），通過(guò)估算初始裂紋至臨界裂紋的擴(kuò)展壽命，能夠確定一個(gè)

零部件在飛-續(xù)-飛譜作用下的檢修周期。損傷容限設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是要求結(jié)

構(gòu)在規(guī)定的未經(jīng)檢修的服役周期內(nèi)或結(jié)束時(shí)都應(yīng)有規(guī)定的剩余強(qiáng)度水平。對(duì)于

破損安全結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用多路傳力或止裂措施，局部地控制不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展。

對(duì)于裂紋緩慢擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，其疵瑕或缺陷不允許達(dá)到不穩(wěn)定快速擴(kuò)展所需要的尺

寸。

“經(jīng)濟(jì)壽命設(shè)計(jì)”的思想就是在損傷容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，也稱為耐久性

設(shè)計(jì)概念。20世紀(jì)70年代末80年代初，經(jīng)濟(jì)維修性要求促進(jìn)了耐久性設(shè)計(jì)

的發(fā)展，并最先在美國(guó)FT6飛機(jī)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)月。耐久性設(shè)計(jì)通過(guò)估算結(jié)構(gòu)

細(xì)節(jié)由微小的初始缺陷擴(kuò)展至一個(gè)相對(duì)較小的宏觀裂紋尺寸所經(jīng)歷的壽命確定

經(jīng)濟(jì)維修極限，并制定檢修周期。經(jīng)濟(jì)壽命就是指結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的壽命，結(jié)構(gòu)

在經(jīng)歷了一次時(shí)間的使用和數(shù)次維修之后，破損情況已經(jīng)比較嚴(yán)重。如果不進(jìn)

行再一次的大修則無(wú)法保證安全使用，但如果進(jìn)行維修又將花費(fèi)數(shù)目不小的金

錢（飛機(jī)一次大修的花銷一般會(huì)達(dá)到新機(jī)價(jià)格的四分之一，投入巨大）。這種

“不修不能用，再修不經(jīng)濟(jì)”的壽命即為經(jīng)濟(jì)壽命，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸即

為經(jīng)濟(jì)修理極限。

耐久性/損傷宏限定壽設(shè)計(jì)思想是上世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來(lái)的，并最具生

命力的一種新的設(shè)計(jì)思想。無(wú)論是美國(guó)、歐洲還是國(guó)內(nèi)，都先后制定并頒布了

有關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。它是用耐久性設(shè)計(jì)定壽，用損傷容限設(shè)計(jì)保證安

全。而疲勞/損傷容限定壽是在上世紀(jì)60年代至70年代這10年中，繼疲勞

定壽發(fā)展起來(lái)的一種設(shè)計(jì)思想。它是用疲勞設(shè)計(jì)定壽，用損傷容限設(shè)計(jì)保證安

全。二者都是用損傷容限設(shè)計(jì)概念保證安全，不同的是，前者是建立在斷裂設(shè)

計(jì)概念的耐久性定壽，后者是建立在疲勞設(shè)計(jì)概念的疲勞定壽?？梢哉f(shuō)前者耐

久性定壽是后者疲勞定壽的發(fā)展和完善，后者疲勞定壽是前者耐久性定壽的基

礎(chǔ)和原始階段。1975年，美國(guó)空軍提出用耐久性（經(jīng)濟(jì)壽命）設(shè)計(jì)概念來(lái)取代

原來(lái)的疲勞（安全壽命）設(shè)計(jì)概念，并在這一基礎(chǔ)上提出了包括以靜強(qiáng)度、剛

度、耐久性和損傷容限為主要內(nèi)容的飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱。在此期間，美國(guó)空、

海軍相繼頒布了一系列軍用飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范。從1986年起，我國(guó)開(kāi)始對(duì)飛機(jī)結(jié)

構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的研究工作，結(jié)合我國(guó)新機(jī)研制需要和我國(guó)飛

機(jī)生產(chǎn)的具體情況，溝耐久性設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)行了較深入的分析和大量的試驗(yàn)研

究工作。時(shí)至今日，我國(guó)新研制的幾種飛機(jī)逐步開(kāi)始采用耐久性設(shè)計(jì)原則，另

外在一些現(xiàn)服役的飛機(jī)定壽工作中，也增加了耐久性評(píng)定工作。耐久性設(shè)計(jì)可

以取代安全壽命設(shè)計(jì)，并與損傷容限設(shè)計(jì)相容互補(bǔ)，是確定飛機(jī)使用壽命的基

礎(chǔ)設(shè)計(jì)，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用壽命中不致出現(xiàn)功能唾損傷提供了保證。

耐久性損傷容限設(shè)計(jì)是在總結(jié)吸取疲勞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起

來(lái)的。從時(shí)間上來(lái)看，有關(guān)疲勞的設(shè)計(jì)規(guī)范是在上世紀(jì)60年代末、70年代初

制訂的，而損傷容限耐久性設(shè)計(jì)是在70年代中后期制訂的。從設(shè)計(jì)技術(shù)上看，

損傷容限耐久性設(shè)計(jì)優(yōu)越于疲勞設(shè)計(jì)，更具有科學(xué)性、理論性和實(shí)用性。直到

如今，耐久性損傷容限設(shè)計(jì)思想仍是各國(guó)先進(jìn)飛機(jī)的主要設(shè)計(jì)思想。

由于作用在結(jié)構(gòu)上的外載荷隨機(jī)波動(dòng)和結(jié)構(gòu)材質(zhì)、工藝的內(nèi)在隨機(jī)性，使得同

一類結(jié)構(gòu)在同一工況下體現(xiàn)出不同的效能，其壽命可能相差數(shù)倍之多，出現(xiàn)了

極大的分散性。可靠性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想就是基于這種分散性、不確定性提

出的。隨機(jī)性是自然界各種事物所固有的特性，可靠性分析與這些不確定性緊

密相關(guān)。由于采用概率的分析方法可以考慮各種隨機(jī)因素在均值附近變化的影

響和它們之間的相關(guān)性，所以在傳統(tǒng)的可靠性分析方法中，常用概率論來(lái)