【摘 要】
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结构的疲劳损伤设计经历了安全寿命设计阶段、破损安全设计阶段、损伤容限设计阶段,到现在的可靠性设计阶段,其目的都在于能够有效的提高飞机的性能、安全性、可靠性以及经济性。由于飞机的结构复杂,某个区域可能同时会面临多种损伤的威胁,并且载荷情况和对应的应力分布也十分复杂,再加上影响疲劳断裂的因素很多,疲劳危险部位呈现一定的不规律性,导致疲劳寿命的分散性比较大。然而,在现代飞机设计中对飞机的安全性和经济性都
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结构的疲劳损伤设计经历了安全寿命设计阶段、破损安全设计阶段、损伤容限设计阶段,到现在的可靠性设计阶段,其目的都在于能够有效的提高飞机的性能、安全性、可靠性以及经济性。由于飞机的结构复杂,某个区域可能同时会面临多种损伤的威胁,并且载荷情况和对应的应力分布也十分复杂,再加上影响疲劳断裂的因素很多,疲劳危险部位呈现一定的不规律性,导致疲劳寿命的分散性比较大。然而,在现代飞机设计中对飞机的安全性和经济性都提出了比较高的要求,这就使得损伤容限设计成为了关键性的技术,而基于损伤容限的检测以及适当的结构疲劳管理及持续适航管理大纲的制订也都成为了适航评定的重头戏。为此,本文针对飞机服役期内的损伤管理及维护提出了飞机结构疲劳管理大纲体系,并对支撑该体系的关键技术进行了研究,该研究不仅具有学术价值,也具有重要的工程应用价值。本文的工作分为以下两部分内容:第一部分研究了飞机结构疲劳管理大纲的理论体系。针对我国飞机结构疲劳管理方面缺少可操作的流程及工程化的判断问题,重点对飞机结构疲劳管理大纲体系ASFMPS（Aircraft Structure Fatige Management Program System）进行了研究,提出了飞机结构疲劳管理大纲体系的框架。在该体系框架下,给出了飞机不同服役阶段应采取的损伤管理维护措施。将基于损伤容限的检查大纲、结构更换/更改大纲以及广布疲劳损伤检查/维护大纲作为损伤评定及管理的主要内容,有针对性地对环境损伤、意外损伤、局部疲劳损伤以及广布疲劳损伤制订了评定/维护方案,并使用工程实例说明了其有效性和可行性。第二部分研究了飞机结构疲劳管理大纲体系中的若干关键技术。针对一些敏感结构中出现的明显损伤提出了非裂纹形式损伤的概念。针对非裂纹损伤形式研究中的难点及目前存在的问题,提出了其特征要素,并给出了非裂纹损伤预测诊断体系的制订思路。针对ASFMPS核心之一的结构检查大纲,给出了环境损伤、意外损伤、疲劳损伤评定体系。将模糊综合评定方法应用于确定检查间隔,并对其可行性进行了验证,具有良好的工程实用价值。使用损伤容限额定值（Damage Tolerance Rating,DTR）系统对初期结构检查大纲的有效性进行判断,利用裂纹检测概率均值3P代替3P,简化了计算流程提高了计算效率。针对广布疲劳损伤（Widespread Fatigue Damage,WFD）,对WFD平均行为的确定方法进行了研究,给出了一种概率性和确定性相结合的分析方法,并使用数值模拟算例对该方法进行了验证。在WFD评定的基础上给出了预防WFD维护策略、维护活动的制订方案。对与疲劳评定相关的剩余强度分析及裂纹扩展速率分析方法进行了研究。基于缺口理论提出了一种相对保守的裂纹扩展速率模型,并通过相关试验数据验证了该模型的有效性。对所计算得到的数据误差进行了分析,并得到了相关的结论。通过数值模拟的方法给出了新模型的裂纹扩展速率数据与裂纹扩展寿命,并与试验值对比,对分析结果进行了分析,验证了新模型是相对保守的,在不优先考虑经济性的前提下具有一定的工程应用价值。对新模型中三个裂纹扩展速率参数的物理意义进行了探讨,证明其能够有效地描述裂纹扩展时裂纹前缘疲劳单元所经历的过程以及裂纹扩展产生的塑性影响。
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