飞机机械结构疲劳寿命分析与预测

飞机机械结构疲劳寿命分析与预测

王卓然

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨150066

摘要：随着科技的飞速发展，近年来，机械系统的疲劳可靠性问题已成为业界和科研领域关注的焦点。由于机械系统内各个关键部位所承受的载荷以及各个零部件的强度都带有显著的不确定性，复杂系统内部各潜在失效点的疲劳寿命展现出明显的随机特性。因此，我们不能简单地将整个机械系统的疲劳寿命等同于系统中最为薄弱的零件或部位的寿命。相反，我们必须将系统的失效及其概率寿命预测视为一个整体的系统失效和可靠性问题来处理。

关键词：飞机机械结构；疲劳寿命分析；预测

引言

机械结构的疲劳破坏是其在实际应用中出现失效的主要诱因之一。自从人们意识到疲劳载荷对机械结构产生的损害，研究者们便致力于探索预测机械结构在疲劳载荷作用下的实际使用寿命。经过不懈努力，已经发展出多种疲劳分析理论，并成功应用于预测实际工作环境下的机械结构疲劳寿命。然而，由于疲劳问题的复杂性和多样性，目前尚未形成一套普遍认可的疲劳寿命预测方法。因此，对机械结构的疲劳破坏进行深入的研究仍然十分必要。随着计算机辅助技术的不断进步，越来越多的工程人员开始利用计算机进行机械结构的疲劳寿命分析。他们正在探索如何利用有限元分析和多体动力学仿真结果来预测机械结构的疲劳寿命，这对于机械结构的研发、设计以及后续的维修与保养具有重要的指导意义。

1研究背景及意义

随着科技的飞速进步，我国的工业实力也得到了显著提升，特别是在航天航空、交通运输和海洋工程等领域，大型机械设备正不断向轻量化、高速化和精密化方向发展，并取得了举世瞩目的成就。然而，随着设备的更新换代，其服役条件和环境变得更加复杂和苛刻，影响因素也日益增多。在这样的背景下，机械结构在严酷的外部环境中面临着各种形式的破坏风险，其中疲劳失效成为最为突出的问题。疲劳失效的隐蔽性和突发性给安全生产带来了极大挑战，一旦发生便可能导致严重的经济损失和人员伤亡。据统计，机械结构破坏中疲劳失效的比例高达50%至90%，特别是在航空航天领域，结构疲劳失效更是占据主导地位。深入研究机械结构的疲劳寿命预测方法具有重要意义，它不仅有助于建立预防疲劳失效的有效措施和手段，还能指导机械零部件的正确设计，提高机械结构的安全性能。早期，国内外学者主要从宏观力学角度对结构疲劳失效原理进行研究，提出了多种疲劳寿命预测方法。随着研究的深入，为了更深入地了解材料在疲劳过程中的微观变化，学者们开始关注疲劳失效过程中的滑移现象，并揭示了疲劳裂纹萌生和扩展的机理。

2疲劳问题不确定性分析

在机械结构疲劳问题的分析中，不确定性是一个关键因素，它主要包括随机不确定性和认知不确定性两个方面。随机不确定性主要源于材料性能、外部载荷等实际工程中的随机变化因素，这些不确定性可以通过概率统计理论来处理和量化。在进行概率疲劳寿命评估时，随机不确定性是需要特别关注和考虑的，因为其对确定性框架下的理论分析结果可能产生显著的风险。另一方面，认知不确定性则源于知识和认知的局限性。这种不确定性在疲劳问题分析中通常表现为数学分析模型的不稳定性，即由于我们对疲劳问题的理解不够全面或模型假设存在偏差，导致分析结果可能存在一定的不确定性。在未来的疲劳问题分析中，认知不确定性同样是一个需要重视的方面，因为它可能影响到我们对疲劳问题的准确理解和预测。

2.1材料与结构性能分散性

在机械结构概率疲劳寿命评估的过程中，材料与结构性能被视为随机变量参与计算，它们的分布规律对最终的分析结果具有直接影响。特别地，机械结构材料性能数据，如静强度、疲劳极限、断裂韧度等疲劳相关的关键参数，均来源于试验测量。然而，这些原始试验数据普遍表现出强烈的分散性，意味着即使对同一批材料进行测试，其性能参数也可能存在显著差异。此外，当前机械材料手册中提供的常用材料性能数据往往是在特定条件下测得的，这些条件可能与实际应用环境存在差异。因此，这些数据分布并不具备广泛的代表性，无法全面、准确地反映材料性能在实际应用中的分散性。在进行概率疲劳寿命评估时，需要充分考虑这些不确定性因素，以确保评估结果的准确性和可靠性。

2.2载荷环境特征不确定性

载荷是一个包含环境效应（如腐蚀、温度和机械载荷等）的广义术语，它对于机械结构的疲劳寿命起着至关重要的控制作用，也是进行概率疲劳寿命评估时不可或缺的重要要素。机械结构在实际应用中通常承受的是随机载荷。以飞机的服役载荷为例，这些载荷与多种因素相关，包括飞机的服役状态、人为操作以及气象条件等，因此，每一时刻的载荷都需要通过随机过程来精确描述。当服役载荷是简单的恒幅载荷时，可以通过载荷谱的概率分布来直接表征载荷环境的不确定性。然而，在实际工程应用中，大多数机械结构在服役过程中会遭遇到复杂的随机载荷作用，这些载荷的变化规律和不确定性更加难以预测。因此，对于这类复杂随机载荷的不确定性，我们需要采用更为精细化的量化表征方法，以更准确地评估其对机械结构疲劳寿命的影响。

3飞机机械结构疲劳寿命分析与预测方法研究

3.1缺口结构概率疲劳分析

在实际工程应用中，为了满足装配、减轻重量以及多样化的功能需求，部件中常常包含孔、键、槽等几何不连续结构，这些在疲劳分析中通常被称为“缺口”。当外部载荷作用于这些结构时，由于几何不连续性，这些部位会形成明显的局部应力集中。这种高应力梯度状态极易引发裂纹的初始形成，并随后导致疲劳损伤的累积和裂纹的扩展。因此，对于缺口部位的疲劳研究在工程结构抗疲劳设计中占据着举足轻重的地位。为了更有效地预测和管理这些区域的疲劳寿命，建立针对应力集中部位的概率疲劳寿命评估模型具有极其重要的工程意义。这样的模型可以帮助工程师更准确地评估结构的安全性，从而优化设计和减少潜在的风险。

3.2遵循机械可靠性设计的一般流程

在评估产品质量时，可靠性无疑是至关重要的衡量标准之一。随着消费者对产品质量要求的不断提升，对可靠性的研究也愈发深入。近年来，技术人员对机械设备可靠性的关注更是达到了前所未有的高度。通过实践验证，无论是在机械设备的设计、制造还是使用阶段，机械可靠性都扮演着至关重要的角色。设计水平的高低直接决定了产品的可靠性，而产品的制造和使用则是其可靠性得以体现的关键环节。在可靠性设计的过程中，必须遵循一套严谨的设计流程。首先，需要明确产品的定义，对类似产品的技术进行深入研究与分析，收集相关数据。接着，要拟定载荷条件和载荷谱，明确维修方案等关键要素。这些环节紧密相连，任何一个环节的疏忽都可能对机械的可靠性产生负面影响。因此，在整个设计过程中，必须保持高度的警惕和细致的工作态度，确保每个步骤都得到充分的考虑和实施。

3.3可靠性方法研究

随着先进技术的迅猛进步，机械结构疲劳损伤的预测工作已取得了显著突破，不仅预测的准确性大幅提高，而且研究成果的数量也呈现出不断增长的态势。在这一过程中，CAD技术（计算机辅助设计）的引入为可靠性设计注入了新的活力。该技术结合工程模型与尖端技术，为可靠性设计提供了强有力的支持。在可靠性设计的方法论上，多种方法并行发展，包括随机模型法、灵敏度法、变差传递法以及容差多面体法等。这些方法各有特色，共同构成了可靠性设计的多维工具箱。同时，以传统设计方法为基础，结合丰富的设计经验，还形成了如田口法、广义模型法等独特的可靠性设计方法。值得一提的是，灵敏度分析法与极小化灵敏度分析法在应用中各有侧重。灵敏度分析法主要用于分析设计变量变差对系统性能的影响，而极小化灵敏度分析法则更侧重于通过优化设计变量来最小化性能波动，从而提高设备质量，确保机械结构的稳定性和可靠性。这两种方法相辅相成，共同为实现高质量的可靠性设计提供了有力的工具。

结语

综上所述，科学技术不断发展，机械结构疲劳寿命预测与可靠性方法探究得到了可靠的技术支持，在了解研究现状的基础上，通过有效措施提高机械设备可靠性，优化机械设备结构。不仅能为今后机械结构调整奠定良好基础，而且还能提高机械结构设计合理性。

参考文献

[1]曹名亮.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性设计研究[J].中国高新科技,2018，(03):55-57.

[2]陈力,刘关四,丁克勤.起重机械疲劳寿命分析预测软件开发及工程应用[J].中国安全生产科学技术,2016,12(09):138-145.