[发明专利]一种基于细节疲劳额定值的高机动飞机寿命分析方法

摘要

本发明属于飞机疲劳学领域，涉及一种基于细节疲劳额定值的高机动飞机寿命分析方法，其特征在于，包括如下步骤：第一，编制高机动飞机DFR分析的载荷谱，第二，DFR基准值分析，第三，计算DFR₀值，第四，计算构件疲劳额定值系数R_C，第五，确定结构DFR许用值[DFR]，第六，许用应力[σ_max]计算，第七，疲劳强度裕度计算与评估，第八，结构可靠性寿命计算，第九，建立应力水平控制曲线，给出目标寿命对应的应力许用值。本发明的优点是：应用DFR法进行疲劳设计和寿命评估的过程比较简单，计算工作量也相对较少，能大幅度地提高整体部门的工作效率，对缩短新机研制周期、节约研制成本具有重要意义，经济效益显著。

主权项

一种基于细节疲劳额定值的高机动飞机寿命分析方法，其特征在于，包括如下步骤：第一，编制高机动飞机DFR分析的载荷谱针对机型的疲劳载荷谱，通过雨流计数法抽取完整的载荷(应力)循环。按当量载荷循环的峰值进行排序，初步选取峰值载荷，使疲劳载荷谱中在选取的峰值载荷上下的载荷循环对应的损伤相当。按照当量等幅载荷谱与疲劳载荷谱下达到疲劳寿命时有相同临界损伤的原则，导出疲劳载荷谱单位飞行小时对应的当量等幅载荷循环数，用过载表示的公式为：$N_{\mathrm{fh}}=\frac{\frac{1}{T_0}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(n_{\mathrm{yi}}\right)}_{\mathrm{dl}}^m}{{\left(n_{\mathrm{df}}\right)}_{\mathrm{dl}}^m}---\left(1\right)$当疲劳载荷谱为应力谱时，公式中的过载用应力取代。根据等损伤原则将选取的峰值载荷(对应脉动循环)按应力比R=0.1进行等损伤折算，最终确定当量等幅载荷循环的峰值。第二，DFR基准值分析选取飞机结构典型结构部位制成试验件，按上述载荷谱进行疲劳试验，并记录其均值寿命N₅₀。高机动飞机结构的可靠性指标为99.9％的可靠度和90％的置信度，求出与其对应的试验可靠性寿命：$N_{99.9/90}=\frac{N_{50}}{S_R{S}_C{S}_T}---\left(2\right)$式中：S_R‑可靠系数S_C‑置信系数S_T‑试件系数DFR基准值按下式计算：${\mathrm{DFR}}_{\mathrm{base}}=\frac{(1-R){\mathrm{\σ}}_{m0}{\mathrm{\σ}}_{\max }}{0.9{\mathrm{\σ}}_{m0}+(0.1-R){\mathrm{\σ}}_{\max }}\·{\left(\frac{N_{99.9/90}}{N_{50}}\right)}^{\frac{1}{m}}---\left(3\right)$式中：σ_m0‑等寿命曲线参数，对于铝合金、钛合金、中强钢(σ_b≤1600MPa)和高强钢(σ_b>1600MPa)，σ_m0分别取为310、620、930和1240MPa。σ_max，R‑试验的最大应力与应力比。m‑S‑N曲线的斜率，一般取4.0。第三，计算DFR₀值DFR₀是实际结构的基本DFR值，通过各种修正系数以及应力集中的修正与典型结构的DFR基准值(DFR_base)建立联系，其关系式如下：${\mathrm{DFR}}_0={\mathrm{DFR}}_{\mathrm{base}}\·(A\·B......)\·\frac{{\left(K_t\right)}_{\mathrm{base}}}{K_t}---\left(4\right)$式中A、B……即为修正系数；(K_t)_base为典型结构细节处的应力集中系数，K_t为实际结构细节处的应力集中系数。第四，计算构件疲劳额定值系数R_CR_c定义为实际结构(当量严重细节数为n)的细节疲劳额定值DFR_n与基本结构(单细节)的细节疲劳额定值DFR₁的比值，其公式如下：$R_c={10}^{\frac{[{\mathrm{\φ}}^{-1}\left(0.999\right)-{\mathrm{\φ}}^{-1}\left({0.999}^{1/n}\right)]\·{\mathrm{\σ}}_0}{m}---\left(5\right)}$式中：σ₀为对数寿命标准差，取为0.14；φ^‑1()为标准正态分布函数的逆函数。第五，确定结构DFR许用值[DFR][DFR]按下式计算：[DFR]＝DFR₀·R_c    (6)第六，许用应力[σ_max]计算[σ_max]按下式计算：$\left[{\mathrm{\σ}}_{\max }\right]=\frac{0.9{\mathrm{\σ}}_{m0}\·\left[\mathrm{DFR}\right]}{(1-R)\·{\mathrm{\σ}}_{m0}\·{\left(\frac{N_e}{5\×{10}^4}\right)}^{\frac{1}{m}}+(R-0.1)\·\left[\mathrm{DFR}\right]}---\left(7\right)$式中：N_e‑目标寿命。第七，疲劳强度裕度计算与评估根据上述计算结果可以得出疲劳强度裕度为：$K=\frac{\left[{\mathrm{\σ}}_{\max }\right]}{{\mathrm{\σ}}_{\max }}-1---\left(8\right)$疲劳裕度为负，意指必须减小使用应力，同时(或者)通过改进细节设计，增加其细节疲劳额定值。要使在给定使用应力下满足设计目标寿命，改进设计的指标是使要求的DFR所对应的疲劳裕度等于或大于零。第八，结构可靠性寿命计算可靠性寿命的计算公式如下：$N={\left\{\frac{\left[\mathrm{DFR}\right]}{Y}\right\}}^m\·\frac{5\×{10}^4}{\mathrm{FRF}}---\left(9\right)$式中，FRF‑可靠性系数，Y是任意应力比下的载荷循环通过等寿命线折算到指定应力比0.1下的最大应力的转换公式，其表达式如下：$Y=\frac{(1-R)\·{\mathrm{\σ}}_{m0}\·{\mathrm{\σ}}_{\max }}{0.9\·{\mathrm{\σ}}_{m0}+(0.1-R)\·{\mathrm{\σ}}_{\max }}---\left(10\right)$第九，建立应力水平控制曲线，给出目标寿命对应的应力许用值应力水平控制曲线即特征应力(1g应力或单位载荷应力)‑可靠性寿命曲线。由多个特征应力‑可靠性寿命数据点，即可建立应力水平控制曲线。由应力水平控制曲线即可给出目标寿命对应的应力许用值。