民用飞机结构强度刚度设计与验证指南 第2册PDF电子书下载

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 DFR 512

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DF 517

B.1 构件细节数效应系数DF 517

B.2 构件疲劳额定值系数Rc 520

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Qi 528

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