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第四部分 民用飞机结构动强度2

前言2

符号说明3

名词术语5

缩略语9

第1章 概论10

1.1 民用飞机动强度问题10

1.1.1 机体结构动响应问题10

1.1.2 动力环境问题11

1.1.3 动稳定性问题11

1.2 适航条例中动强度相关条款和关键技术11

1.2.1 动强度相关条款和符合性验证方法的简要说明11

1.2.2 动强度相关条款涉及的关键技术14

1.3 本部分内容简介15

参考资料16

参考文献16

第2章 振动和抖振17

2.1 结构振动17

2.1.1 条款要求与说明17

2.1.2 符合性说明19

2.1.3 飞机结构振动符合性设计21

2.1.4 结构振动符合性分析验证25

2.1.5 结构振动符合性试验验证35

2.2 动力装置及相关结构振动39

2.2.1 条款要求与说明39

2.2.2 符合性说明41

2.3 设备振动45

2.3.1 条款要求及符合性说明45

2.3.2 符合性验证方法48

2.4 燃油／滑油／液压系统48

2.4.1 条款要求与说明48

2.4.2 符合性说明与验证51

附录A 结构动力学设计导引55

A.1 引言55

A.2 优化方法57

A.2.1 基本概念57

A.2.2 无约束极小化方法60

A.2.3 约束非线性规划方法65

A.3 多频优化的结构动力学设计方法67

A.3.1 多频优化的数学提法67

A.3.2 多频优化方法68

A.3.3 多频优化程序设计和设计实例69

A.4 频响优化的结构动力学设计方法71

A.4.1 频响优化的数学提法71

A.4.2 频响优化设计方法72

A.4.3 频响优化设计实例73

附录B 随机振动疲劳频域分析方法75

B.1 随机振动过程及其统计特性75

B.2 随机振动疲劳分析方法概述81

B.3 用于窄带过程的Rayleigh分布模型82

B.4 用于宽带过程的疲劳分析模型82

B.4.1 Monte-carlo方法83

B.4.2 基于窄带过程估算方法的修正系数法（P.H. Wirsching方法）83

B.4.3 Dirlik的雨流幅值经验模型84

B.4.4 涉及双模态响应谱的Bi-modal模型85

B.4.5 简化的Bi-modal方法87

B.5 各种方法的适用范围87

附录C 振动环境试验实例88

C.1 振动环境与疲劳载荷的复合加载试验实例88

C.1.1 总体思路88

C.1.2 夹具设计要求88

C.1.3 疲劳载荷实施及控制89

C.1.4 疲劳载荷与振动环境的耦合影响消除89

C.1.5 某型号飞机电动机构振动试验89

C.2 振动环境与多点静载荷的复合加载试验实例90

C.2.1 总体思路90

C.2.2 静载荷的实施及其与振动环境的耦合消除91

C.2.3 夹具设计要求91

C.2.4 某型号飞机结构件叠加静载的振动试验92

C.3 超大型结构振动环境试验实例93

C.3.1 激励方案的选择93

C.3.2 夹具94

C.3.3 试验简介94

C.3.4 超大型结构振动环境试验讨论94

参考资料95

参考文献95

第3章 声疲劳97

3.1 飞机结构的声疲劳问题和要求97

3.1.1 飞机结构的声疲劳问题97

3.1.2 条款要求97

3.1.3 条款解释97

3.1.4 符合性说明98

3.2 飞机结构声疲劳分析验证99

3.2.1 声载荷预计与测试99

3.2.2 声载荷谱编制101

3.2.3 结构动特性及声响应分析101

3.2.4 结构声疲劳寿命估算103

3.3 飞机结构声疲劳试验验证105

3.3.1 概述105

3.3.2 航空声地面试验108

3.3.3 航空声飞行试验108

3.3.4 实验室试验109

3.4 飞机结构声疲劳设计与预防110

3.4.1 应力集中111

3.4.2 材料111

3.4.3 制造111

3.4.4 连接112

3.4.5 加筋板结构112

3.4.6 声疲劳预防113

参考资料115

参考文献115

第4章 起落架缓冲性能116

4.1 概述116

4.2 起落架缓冲性能试验验证方法116

4.2.1 总体要求116

4.2 2减振试验119

4.2.3 限制落震试验121

4.2.4 储备能量吸收落震试验124

4.3 起落架缓冲性能分析125

4.3.1 引言125

4.3.2 机体动力学模型125

4.3.3 起落架动力学模型128

4.3.4 缓冲器动力学模型129

4.3.5 轮胎力学模型130

4.3.6 跑道模型131

4.3.7 有关说明131

4.4 多支柱起落架缓冲性能分析实例132

4.4.1 模型建立133

4.4.2 仿真分析结果136

4.5 起落架缓冲器参数识别和优化140

4.5.1 概述140

4.5.2 缓冲器不可测参数识别141

4.5.3 缓冲器可设计参数优化141

4.5.4 基于响应面方法的多支柱起落架缓冲性能优化142

4.6 多支柱起落架等效落震试验方法145

4.7 起落架滑跑缓冲性能试验验证148

4.7.1 条款要求148

4.7.2 符合性说明148

4.7.3 符合性验证试验148

参考资料150

参考文献150

第5章 离散源撞击151

5.1 鸟撞151

5.1.1 条款要求151

5.1.2 符合性说明152

5.1.3 符合性验证分析方法155

5.1.4 典型结构鸟撞有限元分析方法156

5.1.5 典型结构抗鸟撞有限元法分析案例162

5.1.6 符合性验证试验方法165

5.2 冰雹168

5.2.1 条款要求168

5.2.2 符合性说明169

5.2.3 冰雹撞击分析计算方法169

5.2.4 实例分析——冰雹对涡轮风扇发动机进气口的撞击174

5.2.5 试验验证方法177

5.3 发动机碎片188

5.3.1 条款要求189

5.3.2 符合性说明190

5.3.3 设计时应考虑的因素191

5.3.4 符合性验证分析方法192

5.3.5 符合性验证试验方法193

5.4 轮胎碎片、跑道碎石194

5.4.1 条款要求194

5.4.2 符合性说明194

5.4.3 设计时的考虑194

5.4.4 故障与排故案例195

5.4.5 符合性验证方法195

5.4.6 其他可能的各种离散源撞击197

参考文献197

第6章 应急着陆和水上迫降199

6.1 应急着陆199

6.1.1 条款要求及符合性说明199

6.1.2 符合性验证方法202

6.2 水上迫降218

6.2.1 条款要求及符合性说明218

6.2.2 符合性验证方法219

6.3 机体结构的适坠性224

6.3.1 坠撞动力学225

6.3.2 机体结构的适坠性分析229

6.3.3 全尺寸机体结构的适坠性试验235

6.3.4 典型机身段客舱地板下部吸能结构设计241

6.3.5 结构适坠性评估251

参考文献255

第7章 气动弹性稳定性257

7.1 总体要求257

7.1.1 条款要求257

7.1.2 符合性说明257

7.2 防止颤振和发散257

7.2.1 条款要求257

7.2.2 符合性说明258

7.2.3 符合性验证分析方法259

7.2.4 符合性验证试验方法267

7.3 由结构变形引起的操纵损失278

7.3.1 条款要求278

7.3.2 符合性说明278

7.3.3 符合性验证分析方法278

7.3.4 符合性验证试验方法278

7.4 破损安全准则278

7.4.1 条款要求278

7.4.2 符合性说明280

7.4.3 符合性验证分析方法281

7.4.4 符合性验证试验方法282

7.5 破损安全处理举例282

附录A 基于优化算法的结构动力模型修改283

A.1 概述283

A.2 修正变量选取和有限元分析模型的建立284

A.3 模型修正的目标函数和约束条件285

A.4 模型修正计算流程286

A.5 飞机结构模型修正实例287

参考资料289

参考文献289

第8章 飞机滑跑稳定性290

8.1 总体要求290

8.1.1 条款要求290

8.1.2 符合性说明290

8.2 符合性验证方法291

8.2.1 分析方法291

8.2.2 符合性验证试验296

8.2.3 起落架防摆设计／验证试验一体化技术300

参考资料301

参考文献301

第五部分 民用飞机结构耐久性和损伤容限304

前言304

符号说明306

下标说明309

名词术语310

缩略语312

第1章 总论313

1.1 民用飞机结构耐久性和损伤容限设计思想313

1.2 耐久性和损伤容限设计与适航条例中的疲劳评定之间的关系314

1.3 疲劳评定总则314

1.3.1 评定目的314

1.3.2 结构设计原则和依据315

1.3.3 评定的有关规定和内容315

1.4 耐久性评定317

1.4.1 耐久性评定的对象和内容317

1.4.2 疲劳分析的名义应力法319

1.4.3 腐蚀疲劳分析320

1.4.4 声疲劳评定321

1.4.5 磨损疲劳322

1.4.6 疲劳分析方法的其他应用322

1.4.7 耐久性分析的当量原始疲劳质量（IFQ）评估322

1.5 损伤容限评定324

1.5.1 损伤容限评定的目的324

1.5.2 评定内容325

1.5.3 离散源损伤330

1.5.4 广布疲劳损伤331

1.6 持续适航332

1.7 民用飞机型号疲劳和损伤容限适航符合性审定332

1.7.1 型号合格适航符合性审定程序332

1.7.2 疲劳和损伤容限适航符合性检查要求提供的技术资料333

1.7.3 型号疲劳和损伤容限验证试验的审定要求333

参考资料336

参考文献336

第2章 耐久性和损伤容限结构设计337

2.1 耐久性和损伤容限结构设计要求337

2.1.1 概述337

2.1.2 结构细节设计的基本要求337

2.1.3 结构布局和传力路线339

2.1.4 接头和结构连接细节设计340

2.1.5 应力水平的控制345

2.1.6 结构材料的选择和控制345

2.1.7 加工工艺的选择346

2.1.8 制造和装配间隙347

2.1.9 抗腐蚀和抗磨蚀措施347

2.1.1 0结构维修348

2.1.1 1提高裂纹的可检查度348

2.2 耐久性和损伤容限设计符合性验证方法349

2.2.1 符合性验证方法概述349

2.2.2 适航符合性验证方法的选用350

2.2.3 耐久性和损伤容限设计符合性验证351

2.3 耐久性和损伤容限设计控制353

2.3.1 概述353

2.3.2 耐久性和损伤容限的主要控制内容353

2.3.3 研制各阶段中的耐久性和损伤容限控制要求357

参考资料362

参考文献363

第3章 载荷和载荷谱364

3.1 概述364

3.2 适航相关条款要求365

3.2.1 §25.5 71条中涉及载荷的要求365

3.2.2 咨询通报AC25.5 71-1C中涉及到载荷谱的要求366

3.3 典型飞行任务剖面367

3.3.1 典型飞行任务剖面的分类367

3.3.2 典型飞行任务剖面中参数的确定368

3.3.3 典型飞行任务剖面的标准使用情况370

3.3.4 典型飞行任务剖面的示例370

3.4 空中飞行载荷谱370

3.4.1 阵风载荷谱374

3.4.2 机动载荷谱377

3.4.3 座舱增压载荷379

3.5 地面载荷谱379

3.5.1 波音系列飞机的地面载荷谱381

3.5.2 空中客车系列飞机的地面载荷谱382

3.6 载荷谱的当量化分析385

3.6.1 直线型载荷谱的当量化计算385

3.6.2 曲线型载荷谱的当量化计算386

3.6.3 K次飞行载荷谱的当量化计算387

3.6.4 两条直线叠加成的曲线型载荷谱的当量化计算387

3.7 疲劳分析载荷谱的编制390

3.7.1 主要结构部件载荷情况的最小分析范围390

3.7.2 使用载荷及载荷谱的详细说明391

3.7.3 疲劳分析应力谱的确定396

3.7.4 疲劳分析应力谱例题396

3.7.5 损伤容限分析的载荷谱396

3.7.6 环境因素的影响396

3.8 全尺寸结构疲劳试验载荷谱398

3.8.1 “5×5”试验谱的基本原理398

3.8.2 试验用典型飞行任务剖面的确定400

3.8.3 各部件试验载荷谱的使用情况400

3.8.4 关于高载截取和低载删除402

3.8.5 裂纹扩展试验载荷谱的高载截取方法404

3.8.6 襟翼及其系统疲劳试验载荷谱406

参考资料406

参考文献407

第4章 耐久性分析与试验的可靠性体系408

4.1 概述408

4.2 结构疲劳可靠性设计解决的问题408

4.3 基于对数正态分布的疲劳寿命可靠性分析409

4.3.1 对数正态分布有关知识409

4.3.2 按一个可靠性指标确定结构安全寿命和分散系数410

4.3.3 按两个可靠性指标确定结构安全寿命和分散系数412

4.3.4 估计对数寿命母体标准差的统计方法415

4.4 基于威布尔分布的疲劳寿命可靠性分析416

4.4.1 威布尔分布的有关知识416

4.4.2 针对寿命母体确定安全寿命和分散系数418

4.4.3 全尺寸结构试验寿命要求和试验可靠性寿命评估422

4.4.4 应用实例423

4.5 疲劳寿命分布类型和分散系数425

4.5.1 疲劳寿命概率分布类型的选定425

4.5.2 疲劳寿命分散系数的实际统计426

4.6 可靠性系数427

4.6.1 可靠性系数的基本概念427

4.6.2 结构可靠性系数准则428

4.6.3 特定结构及组件的疲劳可靠性系数429

参考文献432

第5章 结构细节应力分析433

5.1 概述433

5.2 结构总体应力分析和细节应力分析433

5.3 典型连接细节应力分析的解析法434

5.3.1 基本假设434

5.3.2 典型连接细节内力计算公式434

5.4 结构细节应力分析的有限元法438

5.4.1 细节应力分析的基本原理438

5.4.2 细节应力分析的基本步骤438

5.5 紧固件柔度系数444

5.5.1 影响P—δ曲线的主要因素444

5.5.2 紧固件弹性段柔度系数445

5.6 几何应力集中系数447

参考资料447

参考文献447

第6章 结构耐久性分析448

6.1 概述448

6.1.1 耐久性分析的范围和目的448

6.1.2 耐久性分析和疲劳分析449

6.2 应力严重系数法450

6.2.1 单向拉伸疲劳载荷作用下的应力严重系数450

6.2.2 相同危险细节数的影响与绝对尺寸效应452

6.2.3 可靠性寿命估算方法454

6.3 细节疲劳额定值法455

6.3.1 DFR法基本假设和定义455

6.3.2 DFR和其他疲劳参数之间的关系（标准S—N曲线）456

6.3.3 相对疲劳损伤457

6.3.4 DFR值的确定458

6.3.5 DFR分析方法461

6.3.6 DFR法中一些需要说明的重要问题465

6.4 结构腐蚀疲劳分析480

6.4.1 腐蚀疲劳概念480

6.4.2 飞机结构腐蚀疲劳分析的DCR法481

6.4.3 建立在加速试验基础上的腐蚀疲劳评估483

6.5 磨损可靠性分析483

6.5.1 磨损概念483

6.5.2 常法向压力下的磨损量随时间的线性变化假设484

6.5.3 变法向压力下的磨损量的线性累积假设484

6.5.4 磨损可靠性分析方法485

6.5.5 磨损可靠性分析算例485

6.6 航空声疲劳分析486

6.6.1 可参考的航空声疲劳的规范要求486

6.6.2 航空声疲劳寿命估算方法486

6.6.3 航空声疲劳分析的有关说明490

6.7 以结构原始疲劳质量为基础的耐久性分析方法491

6.7.1 耐久性分析要素491

6.7.2 EIFS分布494

6.7.3 两段确定性的／随机的裂纹扩展方法（DCGA-SCGA）496

6.7.4 以结构原始疲劳质量为基础的耐久性分析步骤497

6.7.5 耐久性服役寿命预测498

6.7.6 经济维修和维修后经济寿命的分析方法499

附录A 应力严重系数和DFR的修正系数之间的关系研究511

A.1 引言511

A.2 应力严重系数511

A.3 DFR512

A.4 修正系数之间的关系514

A.5 修正系数的规律514

A.5.1 开孔制孔方法对疲劳性能的影响514

A.5.2 缺口细节的粗糙度系数515

A.5.3 紧固孔细节的表面处理系数516

A.6 结论516

附录B 构件细节数效应系数DF517

B.1 构件细节数效应系数DF517

B.2 构件疲劳额定值系数Rc520

B.3 用DF代替Rc的耐久性分析方法523

附录C 结构细节原始疲劳质量（IFQ）及其试验确定525

C.1 结构细节原始疲劳质量评估概述525

C.2 通用EIFS分布参数的确定526

C.2.1 第i种应力水平下的第k个断口的裂纹扩展速率参数的计算526

C.2.2 计算与参考裂纹尺寸ar相对应的TTCI值527

C.2.3 确定第i个数据集的裂纹扩展参数Qi528

C.2.4 给定ar及xu时TTCI分布参数的确定528

C.2.5 通用EIFS分布估计529

C.2.6 参数优化531

C.2.7 其他应力水平下裂纹扩展参数的确定533

C.3 结构细节原始疲劳质量评估的说明533

参考资料534

参考文献534

第7章 结构损伤容限分析536

7.1 引言536

7.1.1 损伤容限技术概述536

7.1.2 广义损伤容限评定体系538

7.2 断裂力学基础540

7.2.1 概述540

7.2.2 裂纹体的开裂类型540

7.2.3 裂纹尖端应力场的线弹性解541

7.2.4 应力强度因子概念542

7.2.5 裂纹尖端塑性区544

7.2.6 断裂准则与材料断裂韧度546

7.2.7 疲劳裂纹扩展特性548

7.2.8 变幅载荷对裂纹扩展的影响550

7.2.9 复合型裂纹的断裂力学分析方法552

7.2.1 0其他一些断裂力学分析参数563

7.3 损伤容限分析评定内容和步骤566

7.3.1 损伤容限分析评定步骤567

7.3.2 结构类型567

7.3.3 PSE和开裂部位的选择568

7.3.4 开裂模式及初始裂纹尺寸假设569

7.3.5 获取应力强度因子571

7.3.6 材料损伤容限特性573

7.4 裂纹扩展分析575

7.4.1 裂纹扩展要素575

7.4.2 裂纹扩展模型576

7.4.3 裂纹扩展寿命累计方法580

7.4.4 应力谱和环境谱585

7.4.5 裂纹扩展寿命计算流程及算例587

7.5 剩余强度分析590

7.5.1 剩余强度方法590

7.5.2 剩余强度许用值591

7.5.3 剩余强度工程分析步骤595

7.5.4 剩余强度分析算例597

7.6 损伤检测与损伤评定600

7.6.1 检查方法600

7.6.2 各种无损检测方法简介600

7.6.3 裂纹检出概率曲线602

7.6.4 环境损伤和意外损伤的评定——EDR和ADR评定方法604

7.6.5 疲劳损伤的评定——DTR评定方法608

7.7 结构检查大纲619

7.7.1 制订检查大纲的目的619

7.7.2 建立结构检查大纲的原则619

7.7.3 结构检查大纲的组成620

7.7.4 检查周期的确定620

7.7.5 初始检查大纲的制订622

7.7.6 补充检查大纲的制订624

7.7.7 新型号飞机结构检查大纲制订逻辑图626

7.8 满足§25.5 71(e)项要求的损伤容限（离散源）评定626

7.8.1 损伤容限（离散源）评定要求626

7.8.2 损伤容限（离散源）评定步骤628

7.9 确定应力强度因子的方法629

7.9.1 叠加原理629

7.9.2 应力强度因子的其他解法634

7.9.3 有限元法637

7.9.4 应力强度因子的复合性近似解641

参考资料643

参考文献644

第8章 结构耐久性和损伤容限试验645

8.1 概述645

8.2 适航要求645

8.2.1 型号合格审定程序中的要求645

8.2.2 关于全尺寸结构疲劳试验进度的要求646

8.3 研制试验647

8.4 全尺寸验证试验647

8.4.1 全尺寸验证试验的一般要求647

8.4.2 飞机结构耐久性和损伤容限试验实施649

8.4.3 飞机结构疲劳试验中的一些关键技术653

8.5 分部段进行全尺寸结构疲劳试验664

8.5.1 分部段进行全尺寸结构疲劳试验的一般方案664

8.5.2 某飞机分部段全尺寸疲劳试验简介667

8.6 全机疲劳试验670

8.6.1 全机疲劳试验的一般方案670

8.6.2 某飞机全机疲劳试验简介670

8.6.3 试验件670

8.6.4 支持方案671

8.6.5 机身充气672

8.6.6 加载点分布672

8.7 复合材料结构耐久性和损伤容限验证试验的特殊性673

8.8 运动机构可靠性试验674

8.8.1 机构可靠性试验的特点674

8.8.2 机构可靠性试验应注意的问题675

8.8.3 襟翼及其操纵系统试验675

8.8.4 货舱大门锁机构及收放系统疲劳可靠性试验简介675

8.9 缩短全尺寸耐久性和损伤容限试验周期的措施681

参考资料684

参考文献684

第9章 民用飞机机身整体壁板综合强度设计分析与试验评估685

9.1 设计目标和设计依据685

9.1.1 设计目标685

9.1.2 设计依据685

9.2 主要研究工作685

9.3 整体壁板结构及其制造686

9.3.1 机身整体壁板几何形式（以试验件为例说明）686

9.3.2 整体壁板试验件的制造工艺688

9.4 整体壁板结构疲劳分析与试验评估691

9.4.1 整体壁板结构疲劳分析691

9.4.2 整体壁板结构疲劳试验698

9.5 整体壁板结构损伤容限分析与试验评估700

9.5.1 带纵向裂纹的整体壁板结构损伤容限分析700

9.5.2 带裂纹的整体壁板的损伤容限试验718

9.6 结论725

参考文献725

第10章 民用飞机结构耐久性和损伤容限分析软件简介726

10.1 民用飞机结构耐久性分析软件系统简介726

10.1.1 概述726

10.1.2 系统简介726

10.1.3 设计输入与输出728

10.1.4 系统应用733

10.2 结构损伤容限分析系统745

10.2.1 系统描述745

10.2.2 功能简介745