飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计与虚拟试验技术

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1、飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计与虚拟试验技术郭万林赵军华(南京航空航天大学纳米科学研究所南京210016)摘要现代CAE技术的发展极大地提高了飞机等大型和/或复杂结构设计的效率和技术水平。针对大型复杂工况下飞机结构安全保障的迫切要求，开发一套飞机结构三维损伤容限耐久性可视化虚拟试验系统及支撑数据库；对飞机结构进行高可靠度的三维损伤容限耐久性虚拟试验，显著提高飞机结构的数字化虚拟试验能力，显著拓展全机实验效用,缩短型号研制周期；发展具有自主知识产权的三维损伤容限与耐久性关键技术，解决从材料性能到三维复杂结构性能跨越、从

2、微纳表面制造质量和材料缺陷到局部三维裂纹、直到全机强度的多尺度跨越等虚拟试验的瓶颈，解决复杂载荷传递、复杂工况和载荷历史、腐蚀疲劳、制造质量影响预测等已成为发展先进的CAE技术以满足现代结构设计所必须面临的关键科学和技术问题。本文系统地介绍我们在上述研究方向的最新进展及其在现代飞行器中的应用和实践效果。关键词损伤容限；耐久性；三维疲劳断裂理论；虚拟试验一概述航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。以CAE/CAD/CAM为核心的虚拟化仿真设

3、计制造技术是现代航空数字化产品研制以及航空工业信息化的基石，也是高技术竞争的具体体现[1]。其中，CAE对航空产品的技术贡献尤其关键，国外已有许多成熟的CAE软件可对各种产品进行设计和多种性能的虚拟仿真，如结构力学分析(FEA)、流体力学分析(FEA)、计算流体力学分析(CFD)和计算电磁学分析(CEM)等在航空产品设计中获得了广泛的应用[1,2]。因此，现代CAE技术的发展极大地提高了飞机结构设计的效率和技术水平。目前，国际航空技术发达国家早已实施损伤容限耐久性规范，并成为国际适航性条例要求。然而，在飞机结构的三维损伤容

4、限耐久性预测设计方面，现代的CAE技术具有很大的局限性[3]。这主要是由于：1)目前的结构损伤容限分析和寿命预测的CAE技术仍然基于几十年前发展起来的二维断裂理论和经验方法的框架。2)由于研究队伍严重萎缩，国际上的实质性进展非常缓慢，三维损伤容限耐久性技术的发展停滞不前。3)结构中三维裂纹从萌生到扩展的自动演化过程还无法很好的实现。与此同时，现代飞机大量使用三维整体结构，已有技术与需求的矛盾更加突出。这一现状的存在，使得国内外的设计者们在已有技术基础上不得不依靠更加实际、但耗资巨大的全机试验和各级全尺寸部件试验来检验飞机结

5、构的损伤容限和耐久性，虚拟试验的科学基础欠缺。近年随着计算机容量逐渐满足三维断裂分析的需要，国际上三维试验和数值研究骤增，多尺度研究骤增，虚拟试验的概念形成并得以应用[3,4]。有影响和代表水平的工作主要出自美国NASA以Newman为主的研究组、英国Sheffield大学nCode公司及其研究组、法国宇航院(ONERA)、瑞典航空研究实验室(FOI，德文首字)Blom研究组，荷兰国防动力研究实验室、澳大利亚国防科技组织(DSTO)等[5-8]。但是其损伤容限耐久性技术依据的理论基础仍然是二维疲劳断裂理论，未取得本质上的突

6、破，考虑三维约束的疲劳寿命分析模型也都是建立在大量经验参数基础上的[9,10]。近年，我国某飞机设计行业以及相关单位已成功实现全数字化设计、制造，一些重点型号工程在设计阶段就已全面实施损伤容限与耐久性规范，开展了大量全尺寸静力、疲劳/耐久性和损伤容限试验，建立起宝贵的经验和高素质的队伍以及组织管理体系。然而，基于试验来保证性能的经验设计方法存在明显的局限：全尺寸试验之前主要是经验估计，如各种安全系数法，对经验积累依赖严重，不利创新发展；试验或一定要设法满足设计要求，否则发现问题后更改设计困难，代价很高；全尺寸试验只能检验最

7、薄弱环节，不能真实考核整体结构的设计水平，尤其是优化程度；全机试验只能检验一种工况（如标准载荷谱、实验室环境和周期、抽取的单一的制造质量样本等），代价高昂但实际效果远不是人们认为的那么一锤定音式的决定一切。因此，发展基于三维损伤容限与耐久性科学基础的预测设计技术已变得十分必要和迫切。本课题组在国家各部委多年的连续资助和国防预研项目的支持下，从20世纪80年代中期开始，针对飞机技术的实际需求，对复杂环境和工况下工程材料和结构的三维疲劳断裂开展了长期不懈的系统深入的理论、计算和试验研究，所建立的基于三维约束因子的三维疲劳断裂理

8、论、准则和规律能够较好地解决上述关键科学和技术问题，在国内外受到肯定，为解决复杂结构三维损伤容限和耐久性问题提供了一整套自恰、完善、有效的理论和方法，在国际上被称为“郭因子”理论[11-13]。在飞机损伤容限及基于断裂力学的寿命预测领域，本研究组迈出了由二维理论到三维理论转变的实质性的一步。以此为基础研