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飛機結(jié)構(gòu)的疲勞
疲勞是指在低于材料極限強度(ultimate strength)的應(yīng)力(stress)長期反復(fù)作用下,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠低于設(shè)計容許Zui大應(yīng)力的情況下,因此常能躲過一般人的注意而不被發(fā)覺,這也是疲勞比較危險的地方。
材料在承受反復(fù)應(yīng)力的作用過程中,每一次的應(yīng)力作用稱為一個應(yīng)力周期(cycle),此周期內(nèi)的材料受力狀態(tài),由原本的無應(yīng)力先到達Zui大正應(yīng)力(拉伸應(yīng)力),然后到達Zui大負(fù)應(yīng)力(壓縮應(yīng)力)zui后回到無應(yīng)力狀態(tài)。在此受力過程中,每一個應(yīng)力周期所經(jīng)歷的時間長短(即︰頻率)與疲勞關(guān)系甚微,應(yīng)力周期的振幅及累積次數(shù)才是決定疲勞破壞發(fā)生的時機;另外,壓縮應(yīng)力不會造成疲勞破壞,拉伸應(yīng)力才是疲勞破壞的主因。
疲勞破壞大致分為兩類︰低周期疲勞(low cycle fatigue)及高周期疲勞(high cycle fatigue)。一般而言,發(fā)生疲勞破壞時的應(yīng)力周期次數(shù)少于十萬次者,稱為低周期疲勞;高于此次數(shù)者,稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應(yīng)力較大,經(jīng)常伴隨著結(jié)構(gòu)的永久塑性變形(plastic deformation);高周期疲勞的作用應(yīng)力較小,結(jié)構(gòu)變形通常維持在彈性(elastic)范圍內(nèi),所以不致有永久變形。
材料疲勞破壞的進程分為三階段︰裂紋初始(crack initiation)、裂紋成長(crack growth)、強制破壞(rupture)。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續(xù)處,材料晶格(lattice)在外力作用下沿結(jié)晶面(crystallography plane)相互滑移(slip),形成不可逆的差排(dislocation)移動,在張力及壓力交替作用下,于材料表面形成外凸(extrusion)及內(nèi)凹(intrusion),造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應(yīng)力周期的拉伸應(yīng)力連續(xù)拉扯下逐漸成長,并使材料承載面積縮減,降低材料的承載能力。當(dāng)裂紋成長到臨界長度(critical length)時,材料凈承載面積下的應(yīng)力已超過材料的極限強度,此時的材料強制破壞也就無法避免了。
芬蘭便攜式X射線應(yīng)力分析儀可快速、輕松分析齒輪、軸承、軋輥、曲軸、凸輪軸、壓力容器管道以及其它一些零部件在熱處理、機加工、焊接、噴丸、滾壓等處理過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
航空史上zui著名的軍用飛機疲勞破壞事件,應(yīng)該是1969年美國空軍的F-111空中解體。
F-111結(jié)構(gòu)中有個特殊的可變后掠機翼設(shè)計,這是因為固定式機翼在特定的飛行速度、高度、大氣溫度、大氣密度、引擎推力……下,有zui佳的性能表現(xiàn),一旦其中某個因素改變,性能就會降低。而可變后掠機翼則完全無此缺點,它就像是設(shè)計各種不同的機翼,來配合飛行中不同的飛行情況,例如:起降時把機翼完全向外伸展,增加機翼的升力,縮短起降距離;亞音速巡航時則把機翼部分后掠,減少機翼的阻力;超音速貼地飛行時則將機翼全角度后掠。
飛機結(jié)構(gòu)的疲勞破壞zui常發(fā)生于幾何形狀不連續(xù)處,因此在維護延長服役年限的老飛機時,對一些幾何面積變化較大的位置,如︰R角、鉚釘孔邊……,都得特別留意。比較麻煩的是有些結(jié)構(gòu)件在原本的設(shè)計負(fù)載下,預(yù)期使用期間不會有疲勞破壞的顧慮,因此未留下檢查進手空間,或是結(jié)構(gòu)需大部拆解后才有辦法檢查,這些位置在延長服役期間如果未能檢查,就會有相當(dāng)?shù)臐撛陲w行安全風(fēng)險。
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