《疲劳强度教学课件》飞机结构振动疲劳分析研究进展

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1、飞机结构振动疲劳分析研究进展在飞机飞行过程屮，飞机上的某些部位会始终处于强噪声（如喷气噪声、附面层噪声等）环境Z中，飞机的某些薄板结构会由于这些噪声激励导致振动而产生疲劳，引起钏钉松动，严重时甚至会引起蒙皮撕裂。另外，某些典型结构，如舵面、平尾、垂尾、腹鳍等，由于受到扰流的作用会引起随机振动响应，从而在这些结构的某些部位产生疲劳裂纹。这种由噪声、振动的激励而导致结构产生的疲劳现象称之为振动疲劳。比如强五飞机空速管悬臂固定在右机翼翼尖处，使用中不到100h即在根部出现裂纹或断裂。后经分析得知强五飞机机翼有多外挂，使得空速管一阶频率附近存在多个共振区，以致在着陆滑行及其他急剧机动动作川机翼连同其上

2、的空速管振动严重。随着飞机飞行速度的提高，振动疲劳问题显得愈加突出。目前，国内外研究人员对振动疲劳，特别是声疲劳做了大量的分析工作，并且已经运用到工程实践中，但是己有的认识及工程预测方法主要是由大量的实验数据及简化模型总结得到的经验与半理论半经验方法，有关振动疲劳的机理研究尚处于起始阶段。为了适应航空技术发展的新趋势，迫切需要对振动疲劳问题进行更深入的研究。对于材料强度问题而言，可以将振动疲劳破坏简单地假设为与通常所谓的“静态”应力疲劳破坏相一致，因为两者同样都是由于应力循环导致损伤累积而产生的破坏，这样一来，便可以借用己有的疲劳知识作为基础來分析振动疲劳强度问题。但对结构强度问题来说，振动疲

3、劳与所谓的应力疲劳在载荷的产生特点、频率范围以及频率的影响方面是有明显区别的,因此振动疲劳寿命分析方法与常规疲劳分析方法存在显著差别。振动疲劳结构寿命分析方法如下图所示。结构振动疲劳寿命分析步骤图1振动疲劳机理研究结构的振动疲劳涉及振动理论、损伤力学以及断裂力学等多个学科，虽然振动疲劳问题在工程实际中广泛存在，并且自“九五”以来国内在振动疲劳实验手段和基础应用方面取得了不小成绩，但是目前对结构振动疲劳的动力学本质仍尚无突破性认识，有关振动疲劳的机理还需进一步深入研究。有的文献中将在振动载荷下产生的疲劳破坏称为振动疲劳问题，这一定义没有涉及振动疲劳现彖的动力学本质，与传统的疲劳方法相比并没有本质

4、上的区别。姚起杭等认为,振动疲劳是结构所受动态交变载荷（如振动、冲击、噪声载荷等）的频率分布与结构固有频率分布具冇交集或相接近，从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象，也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。所以只有结构在其共振带宽内或其附近受到激励导致了共振才屈于振动疲劳问题，其他则属于静态疲劳问题。孙伟等认为，当振动频率与结构模态频率相当时，即可视为振动疲劳问题；如果频率远小于结构模态频率（频率在几或十几Hz）,就是普通疲劳问题;当振动频率远大于结构模态频率，以至于与声波频率相当时，即可视为声疲劳进行处理。刘江华等认为结构受到动态交变载荷（如振动、冲击等）时，如果

5、载荷频率因素不可忽略，结构疲劳特性与结构所受载荷与结构的振动特性密切相关，结构的振动特性（固有频率、阻尼）对其振动响应及所导致的疲劳破坏具有主要作用或具有不可忽略的显著影响时，发牛的疲劳就属于振动疲劳。王锦丽等认为，当载荷谱中的某一频率分量与结构某一阶固有频率相等或接近时，引起不可忽视的动态响应，此类问题即应归属于振动疲劳问题。虽然他们给出的定义不完全相同，但是都认为结构的振动疲劳与载荷的变化频率、结构的固有频率、交变应力的大小以及结构对循环载荷的动力响应等因素密切相关。即振动疲劳主要指结构的动态特性对其受载响应及所导致的疲劳破坏具有主要作用或不可忽略的显著影响。1振动疲劳寿命估算方法对于简单

6、载荷而言，按照适航标准规定的典型飞行任务剖而和典型飞行起落来确定其疲劳损伤量，然后根据所得损伤量计算飞行起落数，即可得到飞机结构的疲劳寿命。复杂载荷情况下，特别是对于随机载荷而言，疲劳寿命分析方法主要有两种，一种是基于统计计数的吋域分析方法，另一种是基于功率谱密度的频域分析方法。吋域分析方法与上述简单载荷下的振动疲劳分析方法的整体思路人致相同，首先通过有限元分析或实际测暈得到结构危险点的应力（应变）随时间变化关系，采用适当的计数方法，得岀不同应力（应变）水平的幅值和均值（或峰值和谷值）的分布情况，然后选取适用的损伤累积准则及破坏判据，进行疲劳寿命预估。时域法是一种传统的随机振动疲劳估算方法，虽

7、然这种方法能比较准确地得到随机振动载荷所造成的累积损伤，并适用于窄带和宽带随机振动疲劳寿命的预估问题，但是如果要准确描述一个随机加载过程，就需要很长的记录信号，这需要非常大的工作量，在有限元分析中也很难实现频域分析方法是通过有限元分析或实际测量得到结构危险点的应力功率谱密度，然后利用统计原理获得相应功率谱的相关统计参数，如各阶谱矩、标准偏差、不规则因子等（基于不同的统计参数，可以将频域法分为峰值分