本文摘要：摘要：随着我国航空事业的发展，航空疲劳与结构完整性成为影响飞机结构寿命、安全性、可靠性的关键问题之一。经过多年来的努力，飞机结构从最初的静强度、安全寿命设计理念逐渐发展成以疲劳与结构完整性为指导的研制理念和方法，并在型号中取得了成功应用，
摘要：随着我国航空事业的发展，航空疲劳与结构完整性成为影响飞机结构寿命、安全性、可靠性的关键问题之一。经过多年来的努力，飞机结构从最初的静强度、安全寿命设计理念逐渐发展成以疲劳与结构完整性为指导的研制理念和方法，并在型号中取得了成功应用，使得新一代飞机结构的使用寿命、可靠性和经济性得到很大的提升。随着技术的发展和新型号的研制需求，这一领域又出现了许多亟待解决的新问题。本文从航空工业角度梳理了自2000年以来我国航空结构疲劳研究的进展和主要成果，重点介绍了在航空材料/结构/工艺、分析评估理论研究、疲劳试验技术以及飞机寿命管理等方面的研究进展和应用概况，在此基础上从型号研制及工程发展角度提出了对国内航空疲劳需要重点关注的研究方向的建议，以期为我国航空结构技术发展提供借鉴。
关键词：航空疲劳;疲劳特性;损伤容限;耐久性;结构试验技术;服役寿命管理
近几十年的使用经验表明，除去人为因素(误操作)和超常环境因素(如风暴、雷击等)外，在重复载荷作用下的结构疲劳断裂仍然是影响飞机结构安全性和可靠性的主要因素，是结构发生灾难性破坏的主要模式。航空结构疲劳主要研究材料、制造工艺、结构布局、细节设计、使用环境等因素对飞行器(主要指飞机)结构耐久性/损伤容限性能的影响，以及无损检测、健康监测、腐蚀防护、结构维修等手段对飞行器服役/使用寿命的影响。现有飞机结构完整性大纲要求的强度设计准则中规定，必须建立贯穿飞机结构设计、分析、制造、试验验证、维修等整个寿命周期的航空疲劳技术体系，以确保飞机结构系统运行良好及其服役的安全性。
航空论文范例：民航空中交通安全管理发展战略分析
航空结构疲劳的设计理念与研究内容伴随着航空技术的提高、飞机性能的提升而发展。飞机的飞行速度从最开始的低速发展到亚音速，然后再到超音速，飞机结构的性能要求也从最初的安全性陆续提出了机动性、可靠性、舒适性、适应性等要求，设计理念也经历了从静强度设计、安全寿命设计、破损安全-损伤容限设计、耐久性/损伤容限设计直到完整性可靠性设计的发展过程[1]-[4]。在安全寿命设计思想指导下，航空疲劳的主要研究内容为基于S-N曲线的名义应力法开展结构的裂纹萌生寿命分析，考虑几何形状、应力集中等因素对结构疲劳寿命的影响。到了破损安全-损伤容限设计阶段，航空疲劳的主要研究内容为基于断裂力学的应力强度因子和Paris公式及其修正模型计算结构的裂纹扩展寿命，考虑载荷次序、应力比等因素的影响[5]。
当航空结构设计理念发展至耐久性/损伤容限设计阶段时，航空疲劳的研究内容同时包含了结构的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命，其研究对象也扩展至疲劳、腐蚀、表面完整性、无损检测、健康监测等，研究手段也更为丰富，如连续损伤力学、概率断裂力学、疲劳可靠性等[6]-[8]。经过多年的发展，从仿制到自主研制，我国建立了涵盖全寿命周期的结构疲劳技术体系，基本实现了新型飞机结构的长寿命抗疲劳设计，研制的战斗机设计目标寿命提高至6000-8000飞行小时，教练机提高至8000-10000飞行小时，民用飞机提高至60000-90000飞行小时，日历寿命目标为25-30年。
但是，由于我国航空工业起步相对较晚，试验和服役积累数据相对较少，且受工业制造水平限制，在抗疲劳结构设计先进性、分析评估准确性、试验验证系统性、制造工艺稳定性、维修保障可靠性等方面，与航空强国还存在一定的差距。本文从航空工业工程研究和应用的角度出发，对国内航空工业结构疲劳研究的发展历程进行回顾，并对新世纪以来我国航空产品贯彻飞机结构完整性大纲，在材料/结构/工艺、分析评估、试验技术以及服役管理等方面的航空疲劳研究进展进行简要综述，以期为我国航空工业结构疲劳研究的进一步发展提供借鉴和支持。
1国内航空疲劳研究历程
1.1国内航空结构设计思想发展
我国早期的航空疲劳研究主要采用模仿跟进、消化吸收国外相关研究的策略，飞机结构的设计思想经历了从安全寿命设计、损伤容限设计、耐久性/损伤容限设计再到可靠性设计的发展过程。在六、七十年代，国内主要采用“安全寿命”疲劳设计方法研制飞机。研究人员假设交付使用的飞机结构不存在初始缺陷或损伤，依据疲劳分析和全尺寸结构疲劳试验获得结构的疲劳裂纹萌生寿命，除以分散系数来给出使用寿命，分散系数考虑了环境的影响、材料和制造的偏差。
即主要通过强调足够的静强度(控制低的设计应力水平)和选取高的分散系数来保障给定使用寿命期内的飞行安全，而没有要求采用有效措施防止飞机结构由于新机交付或者在服役过程中所产生的缺陷或损伤所导致的破坏。因此，飞机结构是不允许带缺陷或损伤交付使用的，一旦发现必须立即排除。然而受当时无损检测能力制约，初始缺陷始终难以避免，即使采用了高的分散系数值也不足以完全保证结构的使用安全，因此国内研究人员逐渐关注考虑初始损伤或缺陷的损伤容限设计方法。
在八十年代左右，国内飞机结构疲劳研究引入了损伤容限设计思想，结合安全寿命设计思想，形成了安全寿命设计定寿、损伤容限设计保障飞行安全的设计方法。损伤容限表征了结构在规定的未修使用周期内，抵抗由缺陷、裂纹或其它损伤而导致破坏的能力，它以断裂力学为基础，以保证结构安全为目标，以损伤检查为手段，涉及结构设计、载荷、强度、材料、工艺、试验质量控制、使用维修和组织管理各环节。
在损伤容限设计思想中，疲劳设计与损伤容限设计相辅相成，以疲劳分析和试验结果确定结构的使用寿命，以裂纹缓慢扩展寿命确定结构的检修周期。对于经分析和试验证实具有优良损伤容限特性的结构，可以选取较低的分散系数;对于损伤容限特性不好，或者无法实现损伤容限设计的结构，必须选取高的分散系数。
可以看出，损伤容限设计的目的在于通过对结构的缓慢裂纹扩展寿命和剩余强度的分析与验证，为检修周期或允许的最大初始损伤提供依据。损伤容限设计的关键在于通过对材料的选择、结构细节设计、使用应力水平等方面进行研究，使得所研制的结构(包括单传力路径和多传力路径)具有裂纹缓慢扩展特性。如此一来，对于带有未被发现的初始缺陷或损伤的已交付结构，由于缺陷或损伤的扩展得到控制，就能有效地防止结构在给定的使用寿命期内发生灾难性破坏。
2国内航空工业结构疲劳研究现状和进展
飞机结构的疲劳受多种因素的影响，对材料特性、制造工艺、结构形式、载荷历程及环境条件等因素均极为敏感，导致飞机结构疲劳和断裂特性的研究至今仍然是航空工程中最为复杂的问题之一[10]。正因如此，我国科研人员对于航空疲劳问题的研究也一直保持高度关注和深入研究，尤其是进入二十一世纪以来，国家对航空工业给予高度重视，在科研经费方面提供大力支持，使得很多航空疲劳科研项目得以持续、深入开展，并取得了丰硕的成果。本节从材料/结构/工艺、分析评估、试验技术及服役管理等方面，对进入新世纪以来我国在航空疲劳领域的研究进展进行简要介绍。
3展望
经过多年发展，国内航空疲劳研究已建立了一套比较完整的抗疲劳设计、疲劳分析评估、抗疲劳制造、疲劳试验验证以及服役寿命管理的体系，包含了损伤演化及累积规律、裂纹萌生及扩展分析、服役环境及制造工艺影响、无损检测及健康监测、维修计划及方案制定和飞机结构定/延寿等研究内容，实现了从飞机的设计、制造、试验以及服役等全过程的耐久性/损伤容限设计思想的实践，为我国的航空工业的快速发展提供了强有力的支持。然而，随着新材料、新工艺、新结构的逐步应用、新型数字化分析工具的快速发展、服役环境的严苛化和复杂化等问题，使得航空疲劳的研究目前面临着诸多挑战。
本文从研究尺度的多维化、设计要求的综合化、服役管理的数字化和分析工具的国产化等几个方面对国产航空疲劳研究的发展进行展望。 高精度的结构应力应变响应分析是开展航空疲劳研究的基础。国内目前应用的有限元分析软件如ANSYS、ABAQUS和NASTRAN等，以及疲劳和损伤容限分析软件如MSC.Fatigue、FRANC2D/3D以及NASGRO等，均为国外软件公司所开发。自从2018年中美“贸易战”揭幕以来，美国等西方国家对于核心关键高端工业软件的控制成为了遏制我国发展的重要战略手段之一。
虽然截止目前上述结构分析和疲劳/损伤容限分析软件的应用未受到明显的影响，但未雨绸缪、曲突徙薪，开展大型工业级结构分析软件和疲劳/损伤容限分析软件已刻不容缓。如何在国产自主软件HAJIF等基础上进一步扩展分析功能、提升分析效率、提高计算精度等是建立我国航空疲劳研究分析软件所必须攻克的难题。
参考文献
[1]MIL-STD-008867B,AirplaneStrengthandRigidityGroundTests,1975.
[2]MANNINGSD,YANGJN,SHINOZUKAM,etal.Durabilitymethodsdevelopment,VolumeI-PhaseIsummaryairforceflightdynamicsLab.,AFFDL-TR-79-3118,1979.9.
[3]MANNINGSD,YANGJN,SHINOZUKAM,etal.Durabilitymethodsdevelopment,VolumeII-Durabilityanalysis:State-of-the-artassessmentAirForceFlightDynamicsLab.,AFFDL-TR-79-3118,September1979.
[4]MANNINGSD,YANGJN.美国空军耐久性设计手册(第一版)[M].航空航天工业部《AFFD》系统工程译,1991
作者：王彬文1，陈先民1,*，苏运来1，孙汉斌1，杨宇1，樊俊铃1
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