3-飞机的静强度设计

王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所飞机的静强度设计1前言•静强度属于结构的静力学设计问题，即主要关心工程上结构元件材料本身的最大承载能力(或称抗力、强度)。主要考虑结构元件上局部点的工作应力是否有大于其强度极限的危险，问题的分析相对简单。•静强度设计方法及准则是飞机结构设计中最基本的设计原则，也是最早发展成熟的设计规范之一。它是飞机结构设计活动中首先考虑的基本要求，即结构必须能够承受飞机使用过程中所遇到的各种载荷，而不破坏，也不至于产生影响到飞机功能的永久变形。2设计准则对飞机结构的静强度问题，实际是指飞机结构在使用当中承受各种载荷工况下最大使用载荷的能力。不同的载荷工况将导致结构元件的受力状态不同，因此，必须全面考察飞机飞行中所遇到的各种载荷状态(工况)，而同一载荷工况下，静强度仅考虑最大载荷值即可。通常飞机结构静强度设计采用设计载荷法，即取安全系数，乘上使用载荷即为设计载荷。一般安全系数取1.5，有时视情况还需乘上附加安全系数。静强度设计准则为结构的极限载荷(或极限应力)大于、等于结构的设计载荷(或设计应力)，其表达式为：3静强度设计步骤静强度设计工作步骤为:获取结构上作用的载荷数据；进行细致的结构内力分析计算；做出强度判断。作用于飞机结构上的载荷主要有气动力载荷、质量力以及连接节点上的集中力。这些载荷主要由气动和强度组专业技术人员提供。在早先的结构内力分析计算上，由于缺少大型的计算机硬件系统和分析软件，强度计算仅针对结构的局部部件甚至分成构件，采用材料力学或结构力学的模型简化方法，逐个进行分析计算。由于现代计算机技术的蓬勃发展，特别是结合现代计算技术研究发展起来的结构数值分析理论和软件系统，为大规模结构计算提供了强有力的工具，不仅结构元件的细节可细致模型化，而且像一个整体机翼、机身甚至全机那样多的结构元件也可纳入到一个大规模的结构模型中进行分析。这样，可大大提高分析精度，特别对元件或构件间的连接关系予以了充分考虑，使得一些关键部位的分析更加准确。4材料的试验及其屈服•4.1材料拉伸的力学性能力学性能———指材料受力时在强度和变形方面表现出来的性能。塑性变形又称永久变形或残余变形弹性变形塑性变形变形塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料•材料的机械性质通过试验测定，通常为常温静载试验。试验方法应按照国家标准进行。国家标准规定《金属拉伸试验方法》LL=10dL=5d对圆截面试样：对矩形截面试样：0011.3lA005.65lA国家标准不仅规定了试验方法，对试件的形式也作了详细规定当l=10d时的试件称为长试件，为推荐尺寸当l=5d时的试件称为短试件，为材料尺寸不足时使用标准试件材料试验机材料的力学性能在材料试验机上进行测试。材料试验机的式样有很多，但大多为机械传动或液压传动。PP拉伸图：P~ΔL曲线应力－应变曲线：s~e曲线L0σεPΔLsP/A0eΔL/L0(1)塑性材料拉伸时的力学性能σεO名义应力(Nominalstress)比例极限σP弹性阶段Elasticstage弹性极限σeBA屈服应力σsC真应力(Truestress)F局部化阶段Localizationstage断裂E强化阶段Hardeningstage强度极限σbD屈服阶段YieldingstageOs%eaPsbescSsdbs①弹性阶段ps—比例极限es—弹性极限esE虎克定律tgE弹性摸量Pss（）时成立②屈服阶段ss—屈服极限③强化阶段bs—强度极限④局部变形阶段e合金钢20Cr高碳钢T10A螺纹钢16Mn低碳钢A3黄铜H62(2)塑性材料的卸载(unloading)过程Oσε残余(塑性)应变重新加载(reloading)弹性回复α卸载α卸载加载加载lPspsesssbpeeeeseabcdef's'eeeepe卸载定律冷作硬化材料在卸载过程中应力与应变成线形关系。称为：卸载定律。在常温下把材料冷拉到强化阶段，然后卸载，当再次加载时，材料的比例极限提高而塑性降低。这种现象称为冷作硬化。延伸率(Percentelongation)1100%LLL截面收缩率(Percentreductioninarea)1100%AAA与表征材料破坏后的塑性变形程度。与试件的原始尺寸L/d有关；与试件的原始尺寸无关。塑性材料脆性材料5%5%在工程中按区分塑性材料和脆性材料(3)韧性指标:L1A1注意：材料拉断后经过卸载得到残余应变εp应变实质就是延伸率δ按照国家标准规定，取对应于试件产生0.2%的塑性应变(εp=0.2%)的应力作为屈服点,称为“条件屈服点”,用σ0.2表示名义屈服应力。(4)“名义屈服应力”σ0.20.2s有些塑性材料(如:铝合金)没有明显的屈服平台。σε由于无法确定其屈服点,只能采用人为规定的方法。bσε0.2%o与σ－ε曲线相交点对应的应力即为σ0.2.2.0s确定的方法是:在ε轴上按刻度取0.2％（即：0.002）的点,对此点作平行于σ－ε曲线的直线段的直线(斜率亦为E),特点：无屈服过程无塑性变形无塑性指标σb是衡量脆性材料强度的唯一指标。(5)脆性材料的拉伸性能试件：金属材料－短圆柱混凝土、石料－立方体dLbbLL/d(b):1--3国家标准规定《金属压缩试验方法》（GB7314—87)4.2材料压缩的机械性能低碳钢压缩压缩时由于横截面面积不断增加，试样横截面上的应力很难达到材料的强度极限，因而不会发生颈缩和断裂。塑性材料的压缩强度与拉伸强度相当:(σS)t≈(σS)c脆性材料的压缩脆性材料的压缩强度远大于拉伸强度:(σb)c(σb)t几种非金属材料的力学性能混凝土木材b、高温、常时工作的构件，会产生蠕变和松弛(1)几个概念：a、高温对材料的力学性能有影响d、松弛(Relaxation)：应变保持不变，应力随时间增加而降低的现象c、蠕变(Creep)：应力保持不变，应变随时间增加而增加的现象4.3温度和时间对材料力学性能的影响(2)应力速率对材料力学性能的影响2低碳钢Ose1静荷载动荷载020406080100320300280260240220200应力速率与屈服极限的关系ss(MPa)s(MPa/s)·总趋势:温度升高,E、sS、sb下降；、增大温度下降,sb增大、减小0100200300400500216177137700600500400300200100100908070605040302010E温度对低碳钢力学性能的影响(2)短期静载下温度对材料力学性能的影响200017501500125010007505002500-200-100010020030040050060070080080706050403020100温度对铬锰合金力学性能的影响温度降低，塑性降低，强度极限提高P(kN)------0510153020100l(mm)纯铁------0510153020100P(kN)l(mm)中碳钢温度降低，sb增大，为什么结构会发生低温脆断？(3)高温、长期静载下材料的力学性能金属材料的高温蠕变(Creep)（碳钢350ºC以上）BACDεtO构件的工作段不能超过稳定阶段etOABCDE不稳定阶段稳定阶段加速阶段破坏阶段e0材料的蠕变曲线温度越高蠕变越快应力越高蠕变越快s1s2s3s4温度不变1234ssss应力不变4321TTTTT1T2T3T4三、应力松弛（stressrelaxation）在一定的高温下，构件上的总变形不变时，弹性变形会随时间而转变为塑性变形，从而使构件内的应力变小——称为应力松弛温度不变123eeee2e1e3初应力越大松弛的初速率越大初始弹性应变不变321TTTT1T3T2温度越高松弛的初速率越大蠕变示意图P伸长量时间δ0t0随时间增加，伸长量在不变的载荷作用下继续增加的现象。静载P作用下的伸长量：δ0一细金属线预先有应变后保持不变，应力随时间增加而降低的现象。StressTimeσ0t0Wire松弛示意图