CAE技术在飞机结构三维损伤容限耐久性预测设计中的应用.doc

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1、CAE技术在飞机结构三维损伤容限耐久性预测设计中的应用赵军华，郭万林南京航空航天大学纳米科学研究所，南京210016Email:Junhua.zhao@163.comwlguo@nuaa.edu.cn；Tel:025-84895827；Fax:025-84895827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。然而，在飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计方面，现代CAE技术具有很大的局限性。针对大型复杂工况下飞机结构安全保障的迫切要求，发展具有自主知识产权的三维损伤容限

2、与耐久性关键技术，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。本文不仅简要介绍了国内外在这些方面的研究进展，同时主要介绍了本课题组在这一领域的最新研究进展及其在实际工程中的应用和实践效果。关键词：三维疲劳断裂理论；三维损伤容限；耐久性；预测设计1.前言飞机结构的安全性一直是飞机结构设计中的关键问题。但在飞机结构强度设计中，由于机械加工和材料本身不可能是绝对理想的[1-3]，总会存在着一定的缺陷。同时，在飞机使用过

3、程中，各部件由于受力的持续性和循环性，往往容易出现破坏，因而含缺陷结构的三维效应对飞机寿命和安全性的影响日益突出[1]。我国对飞机关键部件寿命的确定主要基于已生产出的成品进行实物模拟试验[2,3]。进行疲劳试验，耗费巨大，试验周期长，试验次数将受到极大的限制。当前，军用和民用飞机造价剧增，结构更为复杂，服役环境复杂多变，寿命要求更长、安全性和可靠性要求更高。一旦发生毁伤事故，经济损失和社会影响巨大[4-6]。除了操作失误引起的事故外，很大部分还在飞机结构或某些关键部件的损伤演化至失效所致[7]。在我国，一方面

4、飞机数量和新型飞机型号以及飞机改型急剧增加，设计和定型试验任务艰巨；另一方面，随着时间的推移，越来越多的飞机接近或达到设计使用寿命，飞行安全和保障问题日益突出[4,5]。近年来，以CAE/CAD/CAM为核心的虚拟化仿真设计制造技术已成为现代航空数字化产品研制以及航空工业信息化的基石[8]。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

5、产品设计中获得了广泛的应用[8,9]。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。2.国内外的研究发展现状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[2-4]。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(DS

6、TO)等[10-13]。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[14,15]。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

7、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。3.飞机结构三维损伤容限耐久性预测设计的挑战与核心技术3.1飞机结构三维损伤容限耐久性预测设计的挑战随着计算机技

8、术和数值分析技术的高度发展，尤其是数字化设计技术的全面应用以及全寿命周期设计要求的日益重要性，三维损伤容限耐久性预测设计和虚拟试验在从国防装备到民用品开发研制中具有越来越重要的地位。通过虚拟试验技术，能够有效拓展全尺寸试验的效用，使一次试验可以拓展出数次、数十次试验的效用，切实指导定型和服役使用。并在数字化设计的任何阶段，对任何部件、结构细节在可能的使用工况和环境下进行虚拟试验，优化设计。但是，虚拟