【簡介：】本篇文章給大家談?wù)劇讹w機的疲勞性能》對應(yīng)的知識點，希望對各位有所幫助。本文目錄一覽：
1、飛機材料疲勞原因是什么,如何早期檢測和預(yù)防？
2、緊急求助，青年文摘上有一篇專門
本篇文章給大家談?wù)劇讹w機的疲勞性能》對應(yīng)的知識點，希望對各位有所幫助。
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飛機材料疲勞原因是什么,如何早期檢測和預(yù)防？
飛機疲勞是由于長期經(jīng)受應(yīng)力造成的。這個有專門的無損探傷來查找
緊急求助，青年文摘上有一篇專門講飛機時的注意事項，知道的朋友講下是紅版還是綠版？第幾期的。
青年文摘綠版2009年第24期·知識在線
坐飛機的學(xué)問王曉云
⊙提前30分鐘登機
在機場登機前，我們將通過安檢，換登機牌，托運行李，登機之后就是30分鐘的等待。這30分鐘時間機組在干什么呢？
飛機的重量加上載重和油料不能超過最大起飛重量的限制，同時，飛機的裝載情況必須確保飛機的平衡，否則會對飛機結(jié)構(gòu)和飛行安全造成危害。因此要對托運行李稱重，這個并非只是為了加收運費，更主要的目的是計算飛機總載重量，加上旅客人數(shù)，結(jié)合貨運裝運情況計算飛機載重，畫出平衡表及重心位置，才能做好艙單后送交機組簽字。在飛行過程中，飛機還要繼續(xù)關(guān)注配重平衡。飛機在機翼、機身內(nèi)部設(shè)置了多組油箱，飛行時先消耗后部的油料，兩側(cè)機翼油箱則是同時使用。加滿油箱的飛機，其機翼和地面是平行的，而飛行歸來之后，燃油已經(jīng)消耗了七八成，此時機翼則向上翹起。
⊙旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機
發(fā)動機是客機的心臟，不僅是飛機飛行動力的來源，也為飛行中電力和液壓等系統(tǒng)提供能源。為了安全和效率考慮，民航客機會使用一到四臺發(fā)動機。像最為常見的支線飛機波音737使用的是兩臺渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，波音747-400作為越洋客機，則有四臺發(fā)動機，即使其中一臺發(fā)生故障，仍有75%的動力可以飛行。
在機場登機時，如果留意一下吊裝于機翼下的飛機發(fā)動機，你會發(fā)現(xiàn)它有著一人多高寬大的輻射狀葉片，發(fā)動機中軸的位置則有流線型的整流罩，上面涂有黑白螺旋紋。在地面機場嘈雜的環(huán)境下，一臺低速旋轉(zhuǎn)發(fā)動機的噪音可能容易被忽略，但這些條紋卻會提示機務(wù)人員，讓大家遠離危險的發(fā)動機進氣口。在空中飛行時，它也是一種肉眼觀察發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀況的保留手段。
⊙看不見的輔助動力
我們通常說，波音747是“四發(fā)飛機”，也就是說，它有四臺發(fā)動機。但很少有人注意它其實還有第五臺發(fā)動機，藏在不為人注意的飛機尾部。這就是被稱為“輔助動力單元”的APU。它的主要作用是在飛機地面作業(yè)時提供電力和壓縮空氣。飛機飛行中的動力來自主發(fā)動機，而在地面關(guān)車狀態(tài)下，則只能依賴APU提供電力。起飛前旅客陸續(xù)登機時，機艙里有舒適的空調(diào)和柔和的燈光，這些能源很可能都來自APU。飛機主發(fā)動機啟動時的電力也需要由APU來提供。
⊙古老的鉚釘
民航客機都有漂亮的流線型機身，但如果我們走近飛機仔細觀察，會發(fā)現(xiàn)其實它的外殼和機翼都是用很多片航空鋁合金鉚接而成的，看起來是“補丁摞補丁”?，F(xiàn)代航空科技如此發(fā)達，飛機為何仍然采用這樣的結(jié)構(gòu)？其原因主要是考慮金屬熱脹冷縮的特性。干線飛機巡航高度都在萬米以上的高空，以獲得較經(jīng)濟的燃油消耗，但高空氣溫經(jīng)常在-50℃左右，與地面機場溫度的溫差多達七八十攝氏度以上，整塊的蒙皮在溫差作用下反復(fù)伸縮，時間長了將產(chǎn)生裂紋影響安全。
⊙多變的機翼
在飛行過程中，我們很容易就能發(fā)現(xiàn)機翼后半部分在起飛、降落和平飛時的形狀大不一樣。機翼后半部分能伸出收回的小機翼，術(shù)語叫“襟翼”。它的作用像鳥的翅膀后部寬大的羽毛，可以增加升力；機翼中后段還有幾塊可以豎起來的方形薄板，名為“減速板”。它們的作用主要是在空中和地面減速。
當飛機起飛時，襟翼向后向下伸出，這樣可以增加機翼的面積，提高升力；當飛機達到巡航速度后，收起襟翼，和主翼合為一體，以便降低阻力，更經(jīng)濟省油地巡航；當下滑降落時，飛機速度變慢，再次放下襟翼維持升力，以防失速；而在飛機機輪碰觸到跑道之后，還要打開減速板，在和襟翼一同提供減速的同時，將飛機的重量壓向跑道，以增加飛機輪胎與跑道面的摩擦力，使飛機減速。
⊙顫抖的翼尖
客機起飛后，如果您剛好選擇了靠近飛機翅膀（機翼）附近的座位，會發(fā)現(xiàn)整個旅途中，機翼的尖端會不斷地上下晃動，仿佛要脫落。這是不是很讓人緊張呢？事實上，客機設(shè)計中早已考慮了材料的彈性形變和疲勞強度，通過成千上萬次人為設(shè)置的反復(fù)震動，對金屬進行破壞性的疲勞測試以檢驗飛機結(jié)構(gòu)的可靠性，因此機翼尖端在氣流的作用下出現(xiàn)無規(guī)則的上下晃動，這些情況都是在正常工作范圍內(nèi)，飛機翅膀的大梁結(jié)構(gòu)其實相當穩(wěn)定，并不影響安全。
⊙閃動的航行燈
依照國際規(guī)定，無論軍用戰(zhàn)機，還是民航客機，飛機左翼為紅燈、右翼為綠燈，機尾則采用白色閃光燈。在飛行中，在地面上，飛機的燈光系統(tǒng)給予其他飛機和地面人員提示：如果看到遠處一架飛機的航行燈左紅右綠，就可以判斷為相同航向的飛機；反之則要小心，因為它顯然迎面向你飛來！雖然當代民航機已有非常先進的防撞告警系統(tǒng)，但航行燈這種可靠的辦法仍然沿用至今。
⊙起降前的遮光板
在飛機起降之前，空乘人員都會提醒乘客系好安全帶，并打開飛機舷窗的遮光板。為什么要打開遮光板呢？如果飛機在起飛和降落過程中出現(xiàn)意外情況，客艙沒有電力和照明的情況下，打開遮光板的舷窗可以為旅客提供輔助的采光，幫助大家迅速撤離，防止在黑暗中發(fā)生擁擠、踩踏等情況。同時也方便艙外的營救人員觀察內(nèi)部狀況，進行施救。
打開遮光板雖是慣例，卻也有例外，比如某些軍民合用機場，出于安全方面的考慮，反而會要求飛機在降落前將所有舷窗的遮光板拉下。
世界上最大的雙層客機
世界上最大的雙層客機
空中客車A380(Airbus A380)是歐洲空中客車工業(yè)公司研制生產(chǎn)的四發(fā)550座級超大型遠程寬體客機，空中客車A380投產(chǎn)時也是全球載客量最大的客機，空中客車A380有「空中巨無霸」之稱。2010年8月1日，中國首條A380定期航線正式啟用。
空中客車A380全機身長度雙層客艙與四臺發(fā)動機成為最易辨認的獨特外形?？罩锌蛙嘇380在單機旅客運力上有無可匹敵的優(yōu)勢。在典型三艙等(頭等艙-商務(wù)艙-經(jīng)濟艙)布局 空中客車A380圖片欣賞(20張)下可承載525名乘客。空中客車A380飛機被空中客車公司視為其21世紀的“旗艦”產(chǎn)品。A380在投入服務(wù)后，打破波音747在遠程超大型寬體客機領(lǐng)域統(tǒng)領(lǐng)35年的紀錄，結(jié)束了波音747在市場上30年的壟斷地位，成為載客量最大的民用客機(不過載重量最大的民用飛機仍是安東諾夫的An-225夢想式運輸機)。
空中客車A380采用了更多的復(fù)合材料，改進了氣動性能，使用新一代的發(fā)動機、先進的機翼、起落架。減輕了飛機的重量，減少了油耗和排放，座公里油耗及二氧化碳排放更低。降低了營運成本，A380飛機機艙內(nèi)的環(huán)境更接近自然?？蜋C起飛時的噪聲可達當前噪聲控制標準(ICAO)規(guī)定的標準要低得多。A380是首架每乘客(座)/百公里油耗不到3公升的遠程飛機(這一比例相當于一輛經(jīng)濟型家用汽車的油耗)。
一直以來，大型遠程民用運輸機市場被波音公司的波音747系列所壟斷，空中客車公司雖然在 其它 機型上都有與波音公司競爭的機型， 但只有在這個市場上一直是一個空白，雖然曾推出空中客車A340，但仍然不能撼動波音747的絕對優(yōu)勢地位?？罩锌蛙嚬鹃_發(fā)500-800座級大型民航運輸機，意在搶奪由波音747把持的大型客機市場，空中客車公司提出了對未來民用航空發(fā)展的推斷：未來世界民航運輸機發(fā)展將繼續(xù)向大型化發(fā)展，并以此提出了“樞紐/輻射”的理念，即旅客通過支線航班匯聚到樞紐機場，再由大型運輸機運送到另一樞紐機場，最后再乘坐支線客機到達目的地?？罩锌?空中客車A380 精彩照片(19張)車公司認為，改善21世紀空中交通擁擠的最好辦法是增加運力;空中客車公司推出超大型運輸機計劃項目曾引起不少人擔憂，空中客車公司則認為大型客機市場前景十分樂觀，同時為了完善空中客車的客機系列，占據(jù)更有利的地位與波音公司競爭，值得承擔巨大的商業(yè)風(fēng)險。
1990年空中客車公司于1990年代早期開始超大型客機的研發(fā)計劃，除為了完善機種，填補超大型客機的空白外，還希望藉以打破波音747在超大型客機市場的壟斷。過去道格拉斯DC-10和洛克希德L-1011三星客機已證明瓜分這一市場的風(fēng)險。麥道公司亦有相似策略，推出MD-12計劃，但最終終止。1993年1月波音與數(shù)家空中客車的合伙飛機制造商開始共同研究超大型商用飛機(Very Large Commercial Transport,簡稱VLCT)的可行性，并以合作建造的形式為目標。
1994年6月，空中客車公司宣布了其超大型運輸機計劃，最初該計劃被稱為“A3XX”。A3XX將與VLCT計劃和波音的747后繼者—747X競爭，747X計劃將波音747上層客艙加長以容納更多乘客。VLCT計劃于1996年7月終止，波音公司亦于1997年終止747X計劃。 2000年2000年12月，歐洲空中客車集團的主要持股者——歐洲航天國防集團與英國航天集團共同宣布，通過投資88億歐元的A3XX計劃，并將名稱改為“A380”。當時已經(jīng)有6家航空公司預(yù)定共55架A380。A380于2001年初正式定型，第一架A380出廠時計劃的開發(fā)成本已升至110億歐元。
2002年—2005年，第一組A380機翼于2002年1月開始建造，2004年4月，首架A380的機翼在英國布勞頓工廠完成組裝，運往法國圖盧茲進行總裝。A380原型機于2004年首次亮相，2005年1月18日首架A380在空中客車圖盧茲的廠房舉行出廠典禮，序號為001，登記號碼為F-WWOW。2005年4月27日首架A380試飛成功。同年11月，A380首次跨洲試飛抵達亞洲的新加坡。 2005年—2006年A380飛機測試項目于2001年開始，首先進行了系統(tǒng)測試。A380飛機在2004年11月進行了結(jié)構(gòu)測試，在2005年9月進行了結(jié)構(gòu)疲勞測試。2006年3月26日，A380在德國漢堡市進行了緊急撤離測試，853名乘客及20名機組人員，測試在78秒內(nèi)完成。之后，歐洲航空安全局及美國聯(lián)邦航空局批準A380可載乘客人數(shù)為853人。A380飛機進行了空中客車公司歷史上最密集的認證飛行測試之一，持續(xù)15個月完成2200個飛行小時。認證飛行測試在2006年11月30日A380完成環(huán)球技術(shù)航線驗證飛行后結(jié)束。
2006年12月12日，歐洲航空安全局和美國聯(lián)邦航空局正式向空中客車公司頒發(fā)A380飛機的機型適航證。 編輯本段名稱由來按照空客公司的慣例排序，新型客機的名稱應(yīng)該為A350，但據(jù)空客透露，走過千年，跨入新世紀，空客在技術(shù)上也需要一個大的飛躍，所以要跨過A350，應(yīng)當取名為A360。但是，A360在英國的航空語言里是轉(zhuǎn)圓圈的意思，空客當然不愿意只轉(zhuǎn)圓圈。接下來應(yīng)當是A370，然而，在空客的眼里，7和競爭對手波音有著標志性的聯(lián)系，波音的飛機開頭的數(shù)字都是7，再下來“8”在亞洲尤其是大中華 文化 圈內(nèi)是個有口皆碑的吉利數(shù)，因此這款未來大客機便取名為A380。
2000年8月，空中客車公司宣布A3XX得到了50架確認訂單和42架意向選購訂單，2000年12月19日，空客公司在圖盧茲正式宣布把A3XX正式命名為A380，并舉行了A380項目的發(fā)起儀式。
空中客車公司從飛機設(shè)計之初就與主要的航空公司、機場和適航機構(gòu)密切的協(xié)作。由于體積龐大，與任何其它飛機相比較，A380都能更好的降低座距離成本(正如波音747在1969年所作的那樣)?？罩锌蛙嘇380與波音747-400相比，A380多提供約35%的座位和49%的地板空間，使其擁有更寬的座椅、開闊空間，而且座位英里成本比最有效的飛機低15%至20%。 空中客車公司在最初的可行性研究過程中，將A380的翼展和機身總長度限定在80×80米，以避免大型機場的重新建設(shè)。這種限制是根據(jù)國際民航組織(ICAO)和國際機場委員會的建議設(shè)定?？罩锌蛙嚬続380諸多設(shè)計中均考慮了機場兼容性，使得機場只需最低限度的投資進行最小的改進就能適用于這一超大容量機型的運營。為了縮短登機和離機的時間，需要機場方面將設(shè)計新的基礎(chǔ)設(shè)施。 根據(jù)國際民航組織的批注，對運營機場的要求，只要其跑道能運營波音747飛機的機場均可接納A380飛機。A380能與45米寬的跑道和23米寬的滑行道相兼容，20個主機輪減少了對地面載荷的影響，并與現(xiàn)役的商用飛機的操縱性相當。為了提高飛機滑行的準確性，A380飛機的方向舵和機翼下安裝有攝像機，使飛行員更清楚地了解飛機的位置。
A380機身龐大，易產(chǎn)生尾跡湍流問題，A380飛機的尾跡渦流和飛機間隔的研究已經(jīng)完成。A380的渦流對后面飛機的影響與波音747的相類似，不需要修改間隔標準。不過國際民航組織(ICAO)研究發(fā)現(xiàn)，A380客機引起的氣流較波音747客機大，由多個民航組織成立的工作小組建議，A380客機起飛后，中、小型航機要隔3分鐘后才能使用跑道，大型航機亦要等候2分鐘。
A380的駕駛艙位于機身最前方在兩層客艙中間的高度，采用雙人體制，應(yīng)用新式的交互式顯示屏和由以太網(wǎng)連接的擴展性集成航空電子模塊。A380雖然采用了新設(shè)計，但同時保持了運營通用性的優(yōu)點。A380具備與空中客車公司其它電傳操縱系統(tǒng)飛機相同的駕駛艙布局、程序和操作特性，從而減少了飛行員從一種空中客車飛機轉(zhuǎn)換到另一種空中客車飛機所需的培訓(xùn)時間。駕駛艙有8個液晶 顯示器 。包括2個主要飛航顯示器(Primary Flight Displays，PFD)、2個導(dǎo)航顯示器(Navigation Displays，ND)、1個發(fā)動機參數(shù)顯示器(Engine Parameter Display)、1個系統(tǒng)顯示器(System Display)和2個多功能顯示器(Multi-Function Display，MFD)，這2個多功能顯示器為飛航管理系統(tǒng)(Flight Management System，F(xiàn)MS)提供操作界面。 客艙空中客車A380在典型三艙等(頭等艙-商務(wù)艙-經(jīng)濟艙)布局下可承載555名乘客(其中上層機艙199人，下層客艙356人)，采用最高密度座位安排時可承載861名乘客。A380典型經(jīng)濟艙座位布置為下層「3+4+3」形式，上層為「2+4+2」形式?？紤]到乘客的舒適性，空中客車A380還使用了更高效的空氣過濾設(shè)備。 空中客車A380全雙層寬體機艙設(shè)計為每一位乘客提供了更加寬敞的空間。機艙內(nèi)的空氣，每三分鐘就可以更換一次。220個舷窗讓機艙內(nèi)享受更多的自然光。 A380的機艙配備了為客機研發(fā)的最先進的機上娛樂系統(tǒng)，光纖配電網(wǎng)絡(luò)使電影、視頻游戲和電視節(jié)目的選擇更加靈活完備。在飛機上乘客還可以使用便攜式計算機和打電話。有更多的開放空間，比如商務(wù)中心。底艙可選擇為設(shè)置休息區(qū)、商務(wù)區(qū)、酒吧或其它的娛樂區(qū)，按照不同航空公司的需求，還可安排其它設(shè)施，如理發(fā)店、臥鋪、賭場、按摩室或 兒童 游戲場。寬大的空間可供頭等艙內(nèi)安排私人套間，甚至包括淋浴設(shè)施的浴室。
發(fā)動機：Trent 900空中客車A380可以選配羅爾斯-羅伊斯公司 Trent 900或由通用電氣公司與普拉特?惠特尼公司聯(lián)營Engine Alliance的GP7200，兩款均為應(yīng)用在波音777客機上發(fā)動機的衍生產(chǎn)品，Trent 900是Trent系列發(fā)動機的第四代產(chǎn)品，為滿足A380需求而設(shè)計的發(fā)動機。GP7200使用了GE90的內(nèi)核及PW4090的渦輪扇及低壓壓縮機。在銷售方面，起初Trent 900銷量占上風(fēng)，及后GP7200銷量上升，接近Trent 900的銷量。
據(jù)悉，阿聯(lián)酋航空A380將會采用最新的Engine Alliance GP7200型引擎，相比同類飛機每年也可節(jié)省50萬公升燃油。 A380在地面使用時可只使用兩臺發(fā)動機進行滑行，并只使用兩臺反推和一套低噪音的輔助動力裝置，有助于降低噪音。 在起飛階段，A380的4臺Trent 900發(fā)動機116英寸的風(fēng)扇能以每分鐘近3,000轉(zhuǎn)的速度運轉(zhuǎn)，葉片末端的運行速度達1,000英里/小時(1,600 公里/小時)，是音速的1.3倍。
所以有機會去旅行坐上一趟也是挺好的。
疲勞強度定義
疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。一般試驗時規(guī)定，鋼在經(jīng)受10ˇ7次、非鐵（有色）金屬材料經(jīng)受10ˇ8次交變載荷作用時不產(chǎn)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞強度。當施加的交變應(yīng)力是對稱循環(huán)應(yīng)力時，所得的疲勞強度用σ–1表示。 許多機械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點的應(yīng)力隨時間作周期性的變化，這種隨時間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。
疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有80%以上屬于疲勞破壞，而且疲勞破壞前沒有明顯的變形，所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故，所以對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來制造。
研究歷史
疲勞強度
疲勞強度
1954 年，世界上第一款商業(yè)客機de Havilland Comet 接連發(fā)生了兩起墜毀事故，這使得“金屬疲勞”一詞出現(xiàn)在新聞頭條中，引起公眾持久的關(guān)注。這種飛機也是第一批使用增壓艙的飛行器，采用的是方形窗口。增壓效應(yīng)和循環(huán)飛行載荷的聯(lián)合作用導(dǎo)致窗角出現(xiàn)裂紋，隨著時間的推移，這些裂紋逐漸變寬，最后導(dǎo)致機艙解體。Comet 空難奪去了68 人的生命，這場悲劇無時無刻不在提醒著工程師創(chuàng)建安全、堅固的設(shè)計。
自此以后，人們發(fā)現(xiàn)疲勞是許多機械零部件（例如在高強度周期性循環(huán)載荷下運行的渦輪機和其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備）失效的罪魁禍首。
1867年 ，德國的A.沃勒展示了用旋轉(zhuǎn)彎曲試驗獲得的車軸疲勞試驗結(jié)果，把疲勞與應(yīng)力聯(lián)系起來，提出了疲勞極限的概念，為常規(guī)疲勞設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。第二次世界大戰(zhàn)中及戰(zhàn)后，通過對當時發(fā)生的許多疲勞破壞事故的調(diào)查分析，逐漸形成了現(xiàn)代的常規(guī)疲勞強度設(shè)計。1945年，美國的M.A.邁因納提出了線性損傷積累理論 。1953年，美國的A.K.黑德提出了疲勞裂紋擴展理論。之后，計算帶裂紋零件的剩余壽命的具體應(yīng)用，形成了損傷容限設(shè)計。20世紀60年代，可靠性理論開始在疲勞強度設(shè)計中應(yīng)用。
在常規(guī)疲勞強度設(shè)計中，有無限壽命設(shè)計（將工作應(yīng)力限制在疲勞極限以下，即假設(shè)零件無初始裂紋，也不發(fā)生疲勞破壞，壽命是無限的）和有限壽命設(shè)計（采用超過疲勞極限的工作應(yīng)力，以適應(yīng)一些更新周期短或一次消耗性的產(chǎn)品達到零件重量輕的目的，也適用于寧愿以定期更換零件的辦法讓某些零件設(shè)計得壽命較短而重量較輕）。損傷容限設(shè)計是在材料實際上存在初始裂紋的條件下，以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以斷裂韌性試驗和無損檢驗技術(shù)為手段，估算有初始裂紋零件的剩余壽命，并規(guī)定剩余壽命應(yīng)大于兩個檢修周期，以保證在發(fā)生疲勞破壞之前，至少有兩次發(fā)現(xiàn)裂紋擴展到危險程度的機會。疲勞強度可靠性設(shè)計是在規(guī)定的壽命內(nèi)和規(guī)定的使用條件下，保證疲勞破壞不發(fā)生的概率在給定值（可靠度）以上的設(shè)計，使零部件的重量減輕到恰到好處。
疲勞強度算法.
常規(guī)疲勞強度計算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力一壽命曲線（σ-N曲線）和應(yīng)變一壽命曲線（δ－Ν曲線）表示。應(yīng)力一壽命曲線和應(yīng)變一壽命曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。根據(jù)試驗可得其數(shù)學(xué)表達式：
σmN=C
式中：N應(yīng)力循環(huán)數(shù)；
m、C材料常數(shù)。
在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應(yīng)力集中，所以，在使用時必須引入應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。
理論分析
疲勞強度
疲勞強度
疲勞的機制可以分成三個相互關(guān)聯(lián)的過程：
1. 裂紋產(chǎn)生
2. 裂紋延伸
3. 斷裂
FEA 應(yīng)力分析可以預(yù)測裂紋的產(chǎn)生。許多其他技術(shù)，包括動態(tài)非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關(guān)的應(yīng)變問題。由于設(shè)計工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現(xiàn)，確定材料的疲勞強度。
裂紋開始出現(xiàn)的時間以及裂紋增長到足以導(dǎo)致零部件失效的時間由下面兩個主要因素決定：零部件的材料和應(yīng)力場。材料疲勞測試方法可以追溯到19 世紀，由August W?hler 第一次系統(tǒng)地提出并進行了疲勞研究。標準實驗室測試采用周期性載荷，例如旋轉(zhuǎn)彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉(zhuǎn)循環(huán)?？茖W(xué)家和工程師將通過此類測試獲得的數(shù)據(jù)繪制到圖表上，得出每類應(yīng)力與導(dǎo)致失效的周期重復(fù)次數(shù)之間的關(guān)系，或稱S-N 曲線。工程師可以從S-N 曲線中得出在特定周期數(shù)下材料可以承受的應(yīng)力水平。
該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說，低周疲勞發(fā)生在10,000 個周期之內(nèi)。曲線的形狀取決于所測試材料的類型。某些材料，例如低碳鋼，在特定應(yīng)力水平（稱為耐疲勞度或疲勞極限）下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。
大體來說，只要在設(shè)計中注意應(yīng)用應(yīng)力不超過已知的耐疲勞度極限，零部件一般不會在工作中出現(xiàn)失效。但是，耐疲勞度極限的計算不能解決可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中的問題，即應(yīng)力水平看起來在正常的“安全”極限以內(nèi)，但仍可能導(dǎo)致裂紋的問題。
與通過旋轉(zhuǎn)彎曲測試確定的結(jié)果相同，疲勞載荷歷史可以提供關(guān)于平均應(yīng)力和交替應(yīng)力的信息。測試顯示，裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應(yīng)力的應(yīng)力比率有關(guān)。裂紋僅在張力載荷下才會延伸。因此，即使載荷周期在裂紋區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，也不會導(dǎo)致更大的損壞。但是，如果平均應(yīng)力顯示整個應(yīng)力周期都是張力，則整個周期都會導(dǎo)致?lián)p壞。
許多工況載荷歷史中都會有非零的平均應(yīng)力。人們發(fā)明了三種平均應(yīng)力修正方法，可以省去必須在不同平均應(yīng)力下進行疲勞測試的麻煩：
Goodman 方法- 通常適用于脆性材料。
Gerber 方法- 通常適用于韌性材料。
Soderberg 方法- 通常最保守。
這三種方法都只能應(yīng)用于所有相關(guān)聯(lián)的S-N 曲線都基于完全反轉(zhuǎn)載荷的情況。而且，只有所應(yīng)用疲勞載荷周期的平均應(yīng)力與應(yīng)力范圍相比很大時，修正才有意義。實驗數(shù)據(jù)顯示，失效判據(jù)位于Goodman 曲線和Gerber 曲線之間。這樣，就需要一種實用的方法基于這兩種方法并使用最保守的結(jié)果來計算失效。
疲勞壽命的計算方法
對每個設(shè)計進行物理測試明顯是不現(xiàn)實的。在多數(shù)應(yīng)用中，疲勞安全壽命設(shè)計需要預(yù)測零部件的疲勞壽命，從而確定預(yù)測的工況載荷和材料。計算機輔助工程(CAE) 程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。這些方法是：
? 應(yīng)力壽命方法(SN)
這種方法僅基于應(yīng)力水平，只使用W?hler 方法。盡管不適用于包含塑性部位的零部件，低周疲勞的精確度也乏善可陳，但這種方法最容易實施，有豐富的數(shù)據(jù)可供使用，并且在高周疲勞中有良好的效果。
? 應(yīng)變壽命(EN)
這種方法可以對局部區(qū)域的塑性變形進行更詳細的分析，非常適合低周疲勞應(yīng)用。但是，結(jié)果存在一些不確性。
? 線性彈性破壞力學(xué)(LEFM)
這種方法假設(shè)裂縫已經(jīng)存在并且被檢測到，然后根據(jù)應(yīng)力強度預(yù)測裂縫的增長。借助計算機代碼和定期檢查，這種方法對大型結(jié)構(gòu)很實用。由于易于實施并且有大量的材料數(shù)據(jù)可用，SN 是最常用的方法。
設(shè)計人員使用SN 方法計算疲勞壽命
在計算疲勞壽命時，應(yīng)考慮等幅載荷和變幅載荷。
這種方法假設(shè)零部件在恒定的幅度、恒定的平均應(yīng)力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，設(shè)計人員可以快速計算導(dǎo)致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。而對于零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可采用Miner 規(guī)則來計算每種載荷情況的損壞結(jié)果，并將所有這些損壞結(jié)果合并起來獲得一個總體的破壞值。
其結(jié)果稱為“損壞因子”，是一個失效分數(shù)值。零部件在D = 1.0 時發(fā)生失效，因此，如果D = 0.35，該零部件的壽命已經(jīng)消耗了35%。這一理論還認為由應(yīng)力周期導(dǎo)致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發(fā)生無關(guān)，并且損壞積累速度與應(yīng)力水平無關(guān)。
這種方法假設(shè)零部件在恒定的幅度、恒定的平均應(yīng)力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，設(shè)計人員可以快速計算導(dǎo)致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。
而對于零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可采用Miner 規(guī)則來計算每種載荷情況的損壞結(jié)果，并將所有這些損壞結(jié)果合并起來獲得一個總體的破壞值。其結(jié)果稱為“損壞因子”，是一個失效分數(shù)值。零部件在D = 1.0 時發(fā)生失效，因此，如果D = 0.35，該零部件的壽命已經(jīng)消耗了35%。這一理論還認為由應(yīng)力周期導(dǎo)致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發(fā)生無關(guān)，并且損壞積累速度與應(yīng)力水平無關(guān)。
在真實的環(huán)境條件下，多數(shù)零部件承載的載荷歷史是不斷變化的，幅度和平均應(yīng)力都是如此。因此，更為通用和現(xiàn)實的方法需要考慮變幅載荷，在這種情況下，應(yīng)力盡管隨著時間循環(huán)反復(fù)，但其幅度是變化的，這就有可能將應(yīng)力分解成載荷“塊”。在處理這種類型的載荷時，工程師使用一種稱為“雨流法計數(shù)”的技術(shù)。附錄B 討論如何研究FEA 疲勞結(jié)果，它就雨流法計數(shù)提供了更多信息。
在通過SN 方法研究疲勞方面，F(xiàn)EA 提供了一些非常優(yōu)秀的工具，這是因為輸入由線彈性應(yīng)力場組成，并且FEA 能夠處理多種載荷情況交互作用的可能情形。如果要計算最壞情況的載荷環(huán)境（這是一種典型方法），系統(tǒng)可以提供大量不同的疲勞計算結(jié)果，包括壽命周期圖、破壞圖以及安全系數(shù)圖。此外，F(xiàn)EA 可以提供較小主要交替應(yīng)力除以較大主要交替應(yīng)力的比率的圖解（稱為雙軸性指示圖），以及雨流矩陣圖。后者是一個3D 直方圖，其中的X 和Y 軸代表交替應(yīng)力和平均應(yīng)力，Z 軸代表每個箱所計的周期數(shù)。
設(shè)計方法
疲勞強度
疲勞強度
設(shè)計人員通常認為最重要的安全因素是零部件、裝配體或產(chǎn)品的總體強度。為使設(shè)計達到總體強度，工程師需要使設(shè)計能夠承載可能出現(xiàn)的極限載荷，并在此基礎(chǔ)上再加上一個安全系數(shù)，以確保安全。但是，在運行過程中，設(shè)計幾乎不可能只承載靜態(tài)載荷。在絕大多數(shù)的情況下，設(shè)計所承載的載荷呈周期性變化，反復(fù)作用，隨著時的推移，設(shè)計就會出現(xiàn)疲勞。
實際上，疲勞的定義為：“由單次作用不足以導(dǎo)致失效的載荷的循環(huán)或變化所引起的失效”。疲勞的征兆是局部區(qū)域的塑性變形所導(dǎo)致的裂紋。此類變形通常發(fā)生在零部件表面的應(yīng)力集中部位，或者表面上或表面下業(yè)已存在但難以被檢測到的缺陷部位。盡管我們很難甚至不可能在FEA 中對此類缺陷進行建模，但材料中的變化永遠都存在，很可能會有一些小缺陷。FEA 可以預(yù)測應(yīng)力集中區(qū)域，并可以幫助設(shè)計工程師預(yù)測他們的設(shè)計在疲勞開始之前能持續(xù)工作多長時間。
對承受循環(huán)應(yīng)力的零件和構(gòu)件，根據(jù)疲勞強度理論和疲勞試驗數(shù)據(jù)，決定其合理的結(jié)構(gòu)和尺寸的機械設(shè)計方法。機械零件和構(gòu)件對疲勞破壞的抗力，稱為零件和構(gòu)件的疲勞強度。疲勞強度由零件的局部應(yīng)力狀態(tài)和該處的材料性能確定，所以疲勞強度設(shè)計是以零件最薄弱環(huán)節(jié)為依據(jù)的。通過改進零件的形狀以減小應(yīng)力集中，或?qū)ψ钊醐h(huán)節(jié)的表面層采用適當?shù)膹娀に?，便能顯著地提高其疲勞強度。應(yīng)用疲勞強度設(shè)計能保證機械在給定的壽命內(nèi)安全運行。
歐標儀器疲勞試驗機，測試各類材料及相關(guān)制品的疲勞測試。
影響因素
疲勞強度
疲勞強度
1、屈服強度
材料的屈服強度和疲勞極限之間有一定的關(guān)系，一般來說，材料的屈服強度越高，疲勞強度也越高，因此，為了提高彈簧的疲勞強度應(yīng)設(shè)法提高彈簧材料的屈服強度，或采用屈服強度和抗拉強度比值高的材料。對同一材料來說，細晶粒組織比粗細晶粒組織具有更高的屈服強度。
2、表面狀態(tài)
最大應(yīng)力多發(fā)生在彈簧材料的表層，所以彈簧的表面質(zhì)量對疲勞強度的影響很大。彈簧材料在軋制、拉拔和卷制過程中造成的裂紋、疵點和傷痕等缺陷往往是造成彈簧疲勞斷裂的原因。
材料表面粗糙度愈小，應(yīng)力集中愈小，疲勞強度也愈高。材料表面粗糙度對疲勞極限的影響。隨著表面粗糙度的增加，疲勞極限下降。在同一粗糙度的情況下，不同的鋼種及不同的卷制方法其疲勞極限降低程度也不同，如冷卷彈簧降低程度就比熱卷彈簧小。因為鋼制熱卷彈簧及其熱處理加熱時，由于氧化使彈簧材料表面變粗糙和產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象，這樣就降低了彈簧的疲勞強度。
對材料表面進行磨削、強壓、拋丸和滾壓等。都可以提高彈簧的疲勞強度。
3、尺寸效應(yīng)
材料的尺寸愈大，由于各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性愈高，產(chǎn)生表面缺陷的可能性也越大，這些原因都會導(dǎo)致疲勞性能下降。因此在計算彈簧的疲勞強度時要考慮尺寸效應(yīng)的影響。
4、冶金缺陷
冶金缺陷是指材料中的非金屬夾雜物、氣泡、元素的偏析，等等。存在于表面的夾雜物是應(yīng)力集中源，會導(dǎo)致夾雜物與基體界面之間過早地產(chǎn)生疲勞裂紋。采用真空冶煉、真空澆注等措施，可以大大提高鋼材的質(zhì)量。
5、腐蝕介質(zhì)
彈簧在腐蝕介質(zhì)中工作時，由于表面產(chǎn)生點蝕或表面晶界被腐蝕而成為疲勞源，在變應(yīng)力作用下就會逐步擴展而導(dǎo)致斷裂。例如在淡水中工作的彈簧鋼，疲勞極限僅為空氣中的10%~25%。腐蝕對彈簧疲勞強度的影響，不僅與彈簧受變載荷的作用次數(shù)有關(guān)，而且與工作壽命有關(guān)。所以設(shè)計計算受腐蝕影響的彈簧時，應(yīng)將工作壽命考慮進去。
在腐蝕條件下工作的彈簧，為了保證其疲勞強度，可采用抗腐蝕性能高的材料，如不銹鋼、非鐵金屬，或者表面加保護層，如鍍層、氧化、噴塑、涂漆等。實踐表明鍍鎘可以大大提高彈簧的疲勞極限。
6、溫度
碳鋼的疲勞強度，從室溫到120℃時下降，從120℃到350℃又上升，溫度高于350℃以后又下降，在高溫時沒有疲勞極限。在高溫條件下工作的彈簧，要考慮采用耐熱鋼。在低于室溫的條件下，鋼的疲勞極限有所增加。
解決措施
根據(jù)疲勞破壞的分析，裂紋源通常是在有應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生，而且構(gòu)件持久極限的降低，很大程度是由于各種影響因素帶來的應(yīng)力集中影響。因此設(shè)法避免或減弱應(yīng)力集中，可以有效提高構(gòu)件的疲勞強度?？梢詮囊韵聨讉€方面來提高構(gòu)件的疲勞強度。
1、合理設(shè)計構(gòu)件的外形
構(gòu)件截面改變越激烈，應(yīng)力集中系數(shù)就越大。因此工程上常采用改變構(gòu)件外形尺寸的方法來減小應(yīng)力集中。如采用較大的過渡圓角半徑，使截面的改變盡量緩慢，如果圓角半徑太大而影響裝配時，可采用間隔環(huán)。既降低了應(yīng)力集中又不影響軸與軸承的裝配。此外還可采用凹圓角或卸載槽以達到應(yīng)力平緩過渡。
設(shè)計構(gòu)件外形時，應(yīng)盡量避免帶有尖角的孔和槽。在截面尺寸突然變化處（階梯軸），當結(jié)構(gòu)需要直角時，可在直徑較大的軸段上開卸載槽或退刀槽減小應(yīng)力集中；當軸與輪轂采用靜配合時，可在輪轂上開減荷槽或增大配合部分軸的直徑，并采用圓角過渡，從而可縮小輪轂與軸的剛度差距，減緩配合面邊緣處的應(yīng)力集中。
2、提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量
一般說，構(gòu)件表層的應(yīng)力都很大，例如在承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件中，其最大應(yīng)力均發(fā)生在構(gòu)件的表層。同時由于加工的原因，構(gòu)件表層的刀痕或損傷處，又將引起應(yīng)力集中。因此，對疲勞強度要求高的構(gòu)件，應(yīng)采用精加工方法，以獲得較高的表面質(zhì)量。特別是對高強度鋼這類對應(yīng)力集中比較敏感的材料，其加工更需要精細。
3、提高構(gòu)件表面強度
常用的方法有表面熱處理和表面機械強化兩種方法。表面熱處理通常采用高頻淬火、滲碳、氰化、氮化等措施，以提高構(gòu)件表層材料的抗疲勞強度能力。表面機械強化通常采用對構(gòu)件表面進行滾壓、噴丸等，使構(gòu)件表面形成預(yù)壓應(yīng)力層，以降低最容易形成疲勞裂紋的拉應(yīng)力，從而提高表層強度。
關(guān)于《飛機的疲勞性能》的介紹到此就結(jié)束了。
