（飞行器设计专业论文）老龄飞机结构无损检测可靠性研究.pdf

里匿坦盟! 厶堂堡! ：兰丝堡塞摘要老龄飞机的适航性和安全性问题一直是民航当局和营运人非常关心的问题，在影响老龄飞机正常安全飞行的诸多问题中，裂纹类损伤较为严重，及时发现裂纹损伤并进行维修是保证老龄飞机安全的根本措施。本文首先分析了老龄飞机结构损伤特点以及应用于老龄飞机结构损伤检查的传统无损检测方法；在此基础上，重点分析评估了一些新兴的、特殊的无损检测方法。通常，采用检出概率曲线来描述各种无损检测方法的检测能力，本文在科学合理的假设基础上，基于可靠性理论，研究分析了裂纹检测过程中各影响因素的分敞性，研究建立了一套基于可靠性理论的裂纹检出概率曲线测定方案，并进行了实例分析。在此基础上，综合考虑结构安全的各主要影响因素的分散性，如载荷、材料断裂韧性、裂纹检出概率、结构初始质量、裂绞扩展特性等，建立飞机结构疲劳断裂可靠性分析模型。分别计算分析了无检查问隔和等检查问隔时的飞机结构某危险部位的危险率和破坏概率。分析老龄飞机结构裂纹损伤特点及不等间隔检查的必要性和检查间隔确定方案，通过算例表明，对老龄飞机结构裂纹类损伤，应考虑不等检查间隔方案，在服役寿命的后期，应有针对性地适当缩小检查间隔。关键词：老龄飞机：无损检测；捡出概率：可靠性分折；破坏概率主旦垦旦堕至厶兰堕主兰丝造塞a b s t r a c tt h ea i r w o r t h i n e s sa n ds a f e t yo f 硒n ga i r c r a f ta l w a y sd r a wt h ea t t e n t i o n sf r o mc i v i la v i a t i o n sa n do p e r a t o r s a m o n g t h e p r o b l e m s w h i c h i n f l u e n c e t h es a f e t y o f a i r p l a n e m g i l t h ef a t i g u ec r a c kd a m a g ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l e d e t e c t i n ga n dr e p a i r i n gt h ec r a c kd a m a g eo fa i r c r a f ts t r u c t u r e si nt i m e , t oe i l s u r et h ef l i g h ts a f e t yo f 硒f 培a i r c r a f ti sav e r yi m p o r t a n tm e a s l l i 笆a tf i r s t , t h a ts t r u c t u r a ld a m a g ef e a t u r eo fa g i n ga i r c r a ra n ds o m et r a d i t i o n a ln o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d si sa n a l y z e d ；o nt h eb a s i s ，s o m en e w - s t y l e ，p e c u l i a rn o n - d e m u c t i v ei n s p e c t i o nm e t h o d sa r ef o c u s e do i lg e n e r a l l y , p r o b a b i l i t yo f d e t c c t i o nc u r v e si 3u s e dt od e s c r i b et h ed e t e c t i o na b i l i t yo fa l lk i n d so fn o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nm e t h o d s g e n e r a l l y , p r o b a b i l i t yo f d e t o c t i o nc u n 7 嚣i su s e dt od e s c r i b et h ed e t e c t i o na b i l i t yo f d i f f e r e n tk i n d so f n o n - d e s t r u c f i v ei n s p e c t i o nm e t h o d s o nt h eb a s i so f s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lh y p o t h e s i s ，t h ed i s p e r s eo f m a n ye f f e c t i v ef a c t o r s0 1 1t h ep r o c e s so f c r a c kd e t e c t i o ni ss t u d i e d e x c e p tt h a t ,粕i n s p e c t i o ns c h e m eo fp o db a s e do i lr e l i a b i l i t yt h e o r yi se s t a b l i s h e d a n dt h ea c t u a le x a m p l e 彻m y s i si sf i n i s h e d o nt h i sb a s i s ，a l lk i n d so ff a c t o l sw h i c ha f f e c tt h es a f e t yo fs t r u c l a t r c s ，i n c l u d i n gl o a d ，m a t e r i a lr e s i d u a ls t r e n g t h , c r a c kd e t e c t i o np r o b a b i l i t y , s t r u c t u r ei n i t i a lf a t i g u eq u a i l t y , c r a c kp r o p a g a t i o na n ds oo n , a r ec o n s i d e r e da n ds t r u c t u r a lf a t i g u ef r a c t u r er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm o d e li se s t a b l i s h e d c o m p u t e sa n da n a l y s e st h er i s kr a t ea n df a t i g u ep r o b a b i l i t yo ft h ea i r c r a f ts t r u c u l r ei ns e r v i c ew h e nt h ei n s p e c t i o ni n t e r v a la l en o n - i n s p e c t i o na n ds c h e d u l e dr e s p e c t i v e l y a n a l y s e sa 百i 培a i r c r a f ts t r u c m r a id a m a g ef e a t u r e s , t h en c c e s s a r yo fn o n - p e r i o d i ci n s p e c t i o na n di n s p e c t i o ni n t e r v a ls c h e m e ，t h r o u g ha c t u a ls a m p l ea n a l y s i s ，c o n c l u d e st h a tw es h o u l dc o n s i d e rn o n - p e r i o d i cm s p e e t i o nf o ra g i n ga i r c r a f ts t r u c t u r a lc r a c kd a m a g e ，a n dr e d u c ei n s p e c t i o ni n t e r v a l sr a t i o n a l l y , a tt h ei e a go f a i r c r a f ti ns e r v i c el i f e k e yw o r d s ：a g i n ga i r c r a f t ；n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ；p r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ；f a i l u r ep r o b a b i l i t yi i中国民航大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究： 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国比航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名；扭日期：中国民航大学学位论文使用授权声明中国民航大学、中国科学技术信息研究所，国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内存相一致。除在保密期内的保密论文外，允诈论文被查阅和借阅。可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国 屯航大学研究生部办理。研究生签名；褪导师签名日期：蝉中圈民航大学顾： 学位论文背景和研究意义绪论1 9 8 8 年4 月，a l o h a 航空公司一架经历过约9 0 0 0 0 个飞行循环的b 7 3 7 2 0 0 飞机在飞行时，4 3 段上机身蒙皮突然脱落。事故之后，飞机制造商、航空公司以及美国联邦航空管理局( f a a ) 开始对“老龄飞机”问题进行研究，f a a 制定了“国家老龄飞机研究大纲”( n a a r p ) ，负责调查研究各个机型的结构老化问题“。所谓“老龄飞机”就是指飞行起落数、飞行小时数和日历寿命中的一项或几项超过设计使用目标( d s o ) 的7 5 。现在，我国的老龄飞机数量较多，并且有每年增加的趋势。民航当局非常关心老龄飞机的适航性和安全性问题。以损伤容限思想为基础的检查维修是老龄飞机安全飞行的重要保证之一。本论文主要考虑裂纹损伤对老龄飞机结构安全的影响，研究裂纹检出概率曲线的测定及裂纹检出概率曲线在结构可靠性分析中的应用。裂纹检出概率曲线的测定问题，在结构疲劳断裂可靠性分析研究中，又称为无损检测可靠性问题。定量地描述裂纹检测的能力可以有两种方法。第一种方法是根据经验对一定的无损检测方法规定一个绝对可检裂纹尺寸，大于该尺寸的裂纹将在一次检查中1 0 0 地检测出来，小于该尺寸的裂纹将不能被检测出来；第二种方法是用在给定条件下( 包括指定的检测仪器舱涮人员的技术水平，结构件材料、结构细节、裂纹类型、检测环境条件等) 下，一t 寸4 在一次独立检测中被检出的概率来描述。各种目视检查和无损检测技术是老龄飞机结构疲劳损伤检测的主要手段。在型号合格证持有人提供的结构检查大纲或关于结构维修的服务通告( 包括a d 指令) 中，通常规定使用一般目视检查或详细目视检查去发现结构或构件上存在的裂纹损伤；只有对少数构件或部件的某一部位规定使用指定的无损检测方法进行裂纹损伤检测。客观地讲，每一种检测手段的检测能力都是有限的。且由于受到材料特性、裂纹损伤的形状和位置、结构件表面的光洁度、工作环境、照明度以及检验员的技术水平、工作态度、心理状况等影响，裂纹是否能够被检出存在很大的分散性。因此，采用概率方法研究无损检测能力更加科学合理。而测定一定无损检测方法的裂纹检出概率曲线，是结构可靠性分析的基础性工作之一。二国内外研究现状在国外最早比较系统的有关裂纹检出概率( v r o b a b n 时o f d e l e c t i o n ，p o d ) 曲线的研究是由p a c k m a n 等在美国空军材料实验室完成的。之后，y c e 、l o r d 、s o u t h w o r t h 、y a n g 、l e w i s 等人对此进行了大量的研究。1 。根据资料调研，目前这方面的研究主要集中在应用研究方面，用p o d 曲线分析评价一些新的检测方法和特定结构细节的检查。在国内关于裂纹检出概率的研究最早是在航空系统进行的，西北工业大学“”、北京中国民航人学硕l 学位论史航空航天大学、航空一集团6 2 3 所“”1 等在国外学者研究基础上，进行过一系列的分析测试工作，并在原航空工业部等的资助下，完成出版了“裂纹检出概率曲线手册”。比较有代表性的研究是西北工业大学林富甲、黄玉珊教授等在1 9 8 0 年前后提出的无损检测可靠性方法。这种方法在一定程度上削减了裂纹检出随机性的影响，但是也存在检测数据利用不充分的问题。北京航空航天大学傅惠民教授给出的单裂纹尺寸测试方法，是基于每个裂纹尺寸及其独立的检测结果进行分析的。这个方法和上述方法一样，也是基于一定的裂纹检出概率函数进行分析，在确定检出概率函数中的参数时，采用了极大似然法确定裂纹检出概率中的系数。参考资料 7 和 8 ，针对实验室的虚拟测试，提供了理论上的依据。作者分别从裂纹尺寸分布方面和最优样本容量方面进行研究，满足了试验要求，从而提高了裂纹检出概率估计的准确性。可以看出方便、科学、合理地测定裂纹检出概率曲线仍是目前研究的热点之一。三本文的研究课题本文介绍了老龄飞机结构损伤状况，阐述了应用在老龄飞机结构检查中的无损检测方法，并且进行了定性分析，着重研究了在给定置信度下的裂纹检出概率曲线的测定问题，基于可靠性理论，给出了裂纹检出概率测定方法。并通过建立结构疲劳断裂可靠性分析模型，进行了危险部位的失效率和破坏概率的分析，最后给出一些有意义的结论。四论文内容安捧绪论就课题的背景进行了阐述，分析了有关裂纹检出概率曲线测定的国内外研究现状，对论文做了简单的介绍。第一章介绍了老龄飞机以及在我国的分布现状，说明了老龄e 机结构中存在的主要问题。第二章介绍了老龄飞机中存在的主要结构损伤形式，以及老龄飞机结构上的各种无损检测方法。，第三章进行了无损检查可靠性分析，通过算例进行了验证，基于可靠性理论，给出了一套裂纹检查概率曲线的测定方法，第四章通过建立结构疲劳断裂可靠性分析模型，进行了危险部位的失效率和破坏概率的分析。结论部分对课题的工作内容作了简短的总结，对飞机结构裂纹检测概率的确定以及结构可靠性分析中的随机因素的影响作了拓展分析。中国民航人学硕f 学位论文第一章老龄飞机问题概述1 1 老龄飞机的基本概念虽然在1 9 6 9 年就提出了损伤容限设计思想，但是m o h a 事故的发生被普遍认为是f 从关注老龄飞机问题的一个开始。1 9 8 8 年4 月2 8r ，一架a l o h a 航空公司的波音7 3 7 2 0 0 型飞机由于多疲劳裂纹导致机身部分失效。尽管这架飞机安全着陆，但是仍导致了一名机组人员身亡和多名乘客受伤的事故。这架飞机从1 9 6 9 年4 月服役以来，总共飞行3 5 4 9 6 个小时和8 9 6 9 0 个飞行循环。用来规定民用飞机设计使用目标的指标( d s 0 ) 般有三个：日历时间、飞行小时、飞行循环( 起落次数) 。运输类飞机的日历时间设计使用目标一般为2 0 年，但对于不同机型，飞行小时数和起落次数均不相同。老龄飞机的定义有几种，常见的老龄飞机定义是：当某飞机在使用中，飞行起落次数、飞行小时数和只历年限等三个指标中有一项或几项达到或超过设计使用目标的7 5 ( 7 5 d s o ) ，则该飞机进入老龄期。美国国会执行法在“1 7 节老龄飞机”中规定：当飞机服役超过1 4 年后，局方应按条例要求对航空公司提供运输服务的每架飞机进行检查，并审查维修记录与其它记录，以判断飞机是否处于安全状态，维护是否适当。可见，美国国会把使用时矧超过1 4 年的飞机确定为老龄飞机。这个老龄飞机的定义与达到7 5 5 设计使用目标( - - 个指标之) 的飞机为老龄飞机的定义基本上是一致的“2 “”1 。1 2 中国民航飞机老龄化统计分析通过资料分析，我们发现截止到2 0 0 7 年0 2 月2 8 日，中国民航拥有近1 1 3 0 架左右的运输类飞机，机龄超过1 4 年的运输类飞机己达到2 1 1 架左右。当前，我国的老龄飞机机型主要集中在波音7 3 7 、波音7 4 7 、波音7 5 7 、a 3 0 0 、a 3 1 0 、m d 8 2 等机型。图卜1 给出了中国民航机龄超过1 4 年的各机型飞机数量：图1 - 2 给出了各航空集团公司机龄超过1 4 年的飞机数量；图卜3 给出了中国民航运输类飞机超过1 4 年的飞机数量与机龄的关系。需要说明，由于使用老龄飞机进行营运，具有很大的利润空间，各航空公司较少退租或出卖老龄飞机，甚至购买或租赁老龄飞机进行营运( 多数为规模较小的航空公司) 。中国民航大学顾i ：学位论文1 1 7 3 7b 7 5 7 岫8 2y 7肿4 7町6 7如uh 3 0 0 3 呻6 1 v机型图1 - 1中国民航飞机机龄超过1 4 年的各机型飞机数量恒航冉魄末麓幔舰辑予托糸牟邮轼冉嵋赞帆m 采魄l 膏四川中货运航辛集团公司图1 - 2各航空集团公司机龄超过1 4 年的飞机数量1 41 51 61 71 81 9 2 02 l 2 22 32 42 52 62 7机龄图卜3超过1 4 年的飞机机龄分布4呻帅o蝴妊嚣严箍神如加m0一妊墨p瑶稍舯如m0“器驾；p翁神中田民航人学硕i ：学位论文1 3 老龄飞机中的主要问题老龄飞机的问题主要表现在随着飞机使用时问的增长以及起落次数和飞行小时数的增多，飞机寿命敏感部件或构件产生不同形式的损伤或老化，而且这种损伤或老化呈现加重趋势。随着老龄飞机机队的扩大，其持续适航性问题业已成为民航界关注的焦点。老龄飞机能保持足够的安全性和可靠性水平，满足结构持续适航要求，是飞机维修中面临的重要问题。老龄飞机的老化主要表现在结构老化、液压系统老化、操纵起落架系统老化、机载设备老化、导线老化和发动机老化等几个方面；( 一) 结构老化( 1 ) 疲劳裂纹损伤疲劳裂纹损伤是老龄飞机结构的主要损伤形式之一。疲劳损伤是由于周期性、循环性载荷而产生的裂纹及其扩展而造成的。随着飞机起落次数和飞行小时数的增多，飞机结构在各种形式交变载衙的作用下，将会在飞机结构的薄弱环节产生疲劳裂纹损伤。波音公司将飞机结构设计成在2 0 年使用期内，9 9 9 6 的结构细节不产生目视可见疲劳裂纹( 置信度为9 5 ) ；3 0 年使用期内，9 5 的结构细节不产生目视可见疲劳裂纹( 置信度为9 5 ) 。因此，飞机结构无论是按安全寿命设计思想进行设计，还是按损伤容限设计思想进行设计，在飞机进入老龄期后。总有可能在薄弱环节产生疲劳裂纹损伤。特别地，如果飞机具有潜在的多处疲劳损伤，其剩余强度大大降低，产生灾难性后果的概率就会增大。( 2 ) 腐蚀损伤飞机进入老龄期后，飞机结构件或机械附件的表面保护层会产生不同程度的老化现象，从而降低对金属构件的保护作用。因此，飞机进入老龄期后，腐蚀损伤呈现日益加重的趋势。腐蚀损伤是老龄飞机的最主要损伤形式之一，它对飞机结构的完整性和运行的经济性威胁很大，并且严重地危及到老龄飞机的飞行安全。( 3 ) 意外损伤意外损伤是指飞机在使用过程中由于操作不慎或者飞机维护不当及其它原因，使飞机遭受到外来物体的碰撞而导致的损伤。虽然不是因为飞机的自身因素造成的，并且具有一定的偶然性，但是，随着使用年限的增加，老龄飞机遇到这种损伤的情况会增多-从而亦会造成飞机的剩余强度降低，影响飞机飞行安全。( - - ) 液压系统老化一般老龄飞机液压系统中容易出现噪声与振动、系统压力不足、执行元件运动速度不够、执行元件运动速度不均匀以及液压系统工作程序不能正确实现的故障。另外，橡胶密封圈使用中易出现老化，会引起串油、串气等故障问题。( - - - - ) 起落架操作系统老化由于老化，在起落架操作系统中，容易出现起落架护板和舱门产生裂纹、扭曲，密封装置的老化容易导致漏油漏气现象出现，使减震性能下降，刹车装置老化，防滑装置中国民航人学硕i ：学位论文失效，这些均会影响e 机安全飞行。( 四) 机载设备和导线老化与损伤随着飞机使用时问的增长，各种设备和线路的导线绝缘保护层会产生不同程度的老化或损伤，触点可能产生烧蚀现象，降低飞机的使用可靠性。1 4 结论老龄飞机中存在的诸多问题均影响老龄飞机正常安全飞行，并对飞机的使用可靠性和适航性有很大的影响，因此及时发现并予以修理排除故障是飞机安全使用的根本保证。其中裂纹类损伤具有可能产生裂纹的部位较多、裂纹尺寸较小、损伤位置常在蒙皮下面等特点，实际结构中裂纹检测较困难，严重影响结构的安全。因此，及时发现裂纹损伤并进行维修是保证老龄飞行安全的根本措施，而科学合理地制定p o d 曲线更是制订检查方案的基础。6中国民航夫学顾卜学位论文第二章老龄飞机结构损伤及检测方法2 1 引言虽然老龄飞机的损伤，如前所述具有很多种，包括系统、附件、以及发动机等都可能存在一定的损伤，但是由于这些部件的特点以及可换性，突出显示了飞机结构方面损伤的特殊性。迄今为止，f 从颁发的各种老龄飞机适航文件主要是关于老龄飞机结构方面的适航文件，也说明飞机老龄化主要是指飞机结构老龄化。2 2 老龄飞机结构损伤的主要形式2 2 1 飞机结构老龄化的主要体现( 一) 飞机结构的疲劳损伤开始形成可见裂纹，并且可能开始出现广布疲劳裂纹损伤；( 二) 结构件之间的粘结材料在环境作用下开始失效；( 三) 金属材料保护层( 例如漆层) 退化变质，开始出现超出安全水平要求的腐蚀；( 四) 腐蚀损伤促进了疲劳裂纹的形成和扩展。( 五) 由于结构损伤造成的维修及维护费用逐渐增加。2 2 2 老龄飞机结构损伤的特点( 一) 结构腐蚀腐蚀的产生与材料本身及结构设计上的问题有关。现代飞机的机身材料主要由金属材料和复合材料构成，其中金属材科约占8 0 9 6 。金属材料在通常的大气中从单质状态被氧化成化合状态( 即腐蚀过程) 。老龄飞机在其运营期问，虽然经历了多次检修，但其涂层、防腐荆、密封胶的老化龟裂，材料在长期承载和振动状态下抗蚀能力的劣化，再加之长期在污染的工业大气、强腐蚀性的海洋盐雾和高低温交替的环境中运行等，老龄飞机的金属结构遭到腐蚀是必然的结果1 。虽然新服役的或较新的飞机也会发生腐蚀，但相比之下老龄飞机要严重得多，由此可见腐蚀损伤是老龄飞机容易产生的主要损伤形式之一，其原因主要有如下几点：( 1 ) 老龄飞机在型号设计时，其防腐的适航标准不如新型飞机考虑的全面完善。在选材、加工、热处理、结构的外形与连接形式、缝隙的密封处理、排水方案和设施等一般落后于新型飞机；( 2 ) 老龄飞机上的防腐涂层、腐蚀抑制剂、密封胶和密封胶带等，其防腐性能都不如现代新型飞机上经过进一步改进的这些材料的性能优越；( 3 ) 老龄飞机一般都经过多次定检、大修，由于维修水平、设备设施、人员素质等条件的限制，往往经过大修后的飞机其结构的防腐处理、防腐安装，防腐加工达不到飞机出厂时的水平，从而造成老龄飞机的腐蚀问题日积月累，部分结构部件得不到复原；( 4 ) 老龄飞机在长期的运营过程中，材料的机械性能会发生衰变，内应力增大，中国民航人学硕i ：学位论文容易发生应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳损伤。这两种腐蚀一般都发生在重要承力结构部件上，是一种很危险的安全隐患，应引起足够的重视；( 5 ) 老龄飞机服役期长，材料长期处在连续的或自j 断的腐蚀环境中，其腐蚀破坏程度要比新飞机严重得多，因为腐蚀的严重程度一般都与时自j 成正比。( 二) 结构疲劳损伤疲劳损伤是指构件在交变载荷作用下，即使应力水平很低，但经过若干次载荷循环后也会产生裂纹并最终导致结构破坏的损伤类型。从定义中可以发现，疲劳损伤并不需要很高的应力水平，但是需要一定时白j 的损伤积累，疲劳损伤不但与材料有关，还与构件的形状、尺寸、表面状态、使用环境和外界环境有关系。引起结构疲劳的原因主要有：飞机使用年限及使用寿命的大大延长，飞行次数的增加使得原来并不突出的结构疲劳问题暴露出来；大量的高强度材料的使用，由于其比较低的抗疲劳性能，以及比较低的断裂韧性和较高的裂纹扩展速率，因而容易发生疲劳断裂；应力分析和静强度计算的f i 益精确使强度储备实际有所降低，从而也降低了结构实际抗疲劳的能力。( 1 ) 疲劳裂纹损伤构件中的裂纹按照几何特征可以分为穿透裂纹、表面裂纹和深埋裂纹。贯穿构件厚度的裂纹称为穿透裂纹。通常把延伸到构件厚度一半以上的裂纹都视为穿透裂纹，并常作为理想尖裂纹处理，即裂纹尖端的曲率半径趋近于零。穿透裂纹可以是直线的、曲线的、或其它形状的；裂纹位于构件表面，或裂纹深度相对于构件厚度比较小，也可以作为表面裂纹处理。对于表面裂纹常简化为半椭圆片状裂纹；裂纹位于构件内部，常简化为椭圆片状裂纹或圆片状裂纹，裂纹的多样性阻及实际飞机结构中裂纹位置的隐蔽性给裂纹检测带来了一定的困难。疲劳裂纹破坏的过程包括疲劳裂纹的萌生，疲劳裂纹的扩展和裂纹的快速扩展到构件断裂。按照研究目的的不同可以将每一个阶段细化为若干阶段。例如，对断口进行微观分析时，就要将裂纹的萌生划分成几个更小的阶段：而在结构可靠性分析中，更多的是研究裂纹是否可梭结构剩余强度是否降低。在结构可靠性分析中常常采用的结构疲劳全过程的表示方法有两种，“裂纹形成”加“裂纹扩展”的两阶段法和当量裂纹扩展寿命法。“裂纹形成”加“裂纹扩展”的两阶段法是将结构在重复载荷作用下的全寿命化为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两个阶段。在裂纹扩展寿命期问，结构剩余强度逐渐降低，在一定的外载荷作用下，结构破坏危险性逐渐增加，当遇到超过结构剩余强度的外载荷时就会破坏。当量裂纹扩展寿命法，是将结构的全寿命当量地用裂纹扩展寿命表示。它用当量初始裂纹尺寸表示结构的疲劳原始质量，结构全寿命也就是从当量初始裂纹开始扩展的裂中田民航：学硕i ：学位论文纹扩展寿命。当量初始裂纹尺寸可以通过试验及断口分析反推得到，也可| 三l 通过分析求得。( 2 ) 广布疲劳裂纹损伤老龄飞机结构中多处损伤的形成和发展，带来了诸如剩余强度、临界损伤、损伤检查和维修计划等多方面的结构完整性保障问题。近年来，广布疲劳损伤问题( w i d e s p r e a df a t i g u ed a m a g e ，w f d ) 已成为保证老龄结构完整性的热点问题之一，开益受到人们的广泛关注。广布疲劳损伤问题有两种基本形式，多部位损伤( m u l t i p l es i t ed a m a g e ，m s d ) 和多元件损伤( m u l t i p l ee l e m e n td a m a g e ，慨d ) 。多部位损伤( m s d ) 是指在一个结构件的不同部位产生了一群长度相近、相互影响的小裂纹，最终在循环载荷作用下，连通成一条长裂纹，或是一条长裂纹向一群这样的裂纹扩展。m s d 通常在机翼或机身上沿着紧固件孔发生，m s d 是一种非常危险的损伤。虽然就其单个裂纹来说它可能是满足损伤容限的，但是如果这些小裂纹瞬白j 发生聚合，那么就会急剧降低飞机结构的剩余强度，发生灾难性的事故。a l o h a 事故主要就是由于这个原因造成的。w f d 的另一种形式多元件损伤( m e d ) 是指在飞机的多个相邻结构件上同时存在裂纹。如在蒙皮的铆钉孔中可能出现裂纹，在框或肋或长桁等处的铆钉孔中也同时可能出现裂纹，这种情况就是i ) , t e d 。l d e d 和m s d 之白j 既有一定的区别又有深刻的联系。二者主要区别在于：m e d 的研究对象一般包括了结构含有广布疲劳损伤引起的安全问题，主要考虑裂纹扩展过程中的相互干扰，而并不特殊地考虑裂纹连通、融合等问题；m s d 的研究对象主要是同一零件上不同细节处的多条工程短裂纹，其突出特征就是裂纹的连通、融合引起的结构突然破坏。而二者主要联系为：二者都是疲劳裂纹扩展的群体行为使得疲劳单裂纹扩展分析的结果偏于危险：由疲劳裂纹群体行为引起的结构可靠性分析的复杂性在这两种问题中极其相似；对二者可以采用完全相同的研究方法。因此，如果从研究二者的共性出发而不严格区分这两个概念，可将两者统称为疲劳多裂纹( m u l t i p l ef a t i g u ec r a c k s ，m f c ) 或者广布疲劳损伤( w i d e s p r e a df a t i g u ed a m a g e ) 问题”1 。已有的研究表明：由于多裂纹结构的破坏受净截面屈服效应的支配，导致了剩余强度和临界裂纹尺寸大幅度下降。毫无疑问，m s d 的存在也必将对裂纹扩展产生不利影响，主要表现在两个方面：一是裂纹问可能相互作用。尤其是在裂纹扩展后期会产生强烈的干涉而导致应力强度因子剧增，加速了裂纹扩展速率。使扩展寿命变短；二是受裂纹连通的净截面屈服效应影响，使临界裂纹尺寸d 。大大减小，从而使m s d 从初始损伤口。扩展到d 的寿命要比单一裂纹情况短得多。因此m s d 的出现将从根本上改变按现行损伤容限规范对结构进行评定的工作程序，并对无损检测技术提出了更高的要求。飞机在陆续进入老龄期后，极易出现w f d 问题，因此必须针对w f d 敏感结构开展损伤容限评定工作。这种评定技术对新机研制也有指导意义，设计中考虑结构的选材、应力水平控制、细节设计、防腐措施以及修理与维护活动，避免在飞机使用寿命期内出现9中同黾吭人学硕十学位论文w f d 。疲劳裂纹损伤是老龄飞机结构的主要损伤形式之一。随着飞机起落次数和飞行小时数的增多，飞机结构在各种形式交变载荷的作用下，将会在飞机结构的薄弱环节产生疲劳裂纹损伤。一旦飞机具有潜在的多处疲劳损伤，其剩余强度大大降低，产生灾难性后果的概率就会增大。因此，应该加强对进入老龄期的飞机的检测方法和维修水平。2 3 老龄飞机结构损伤的无损检测方法2 3 1 引言无损检测是一门新兴的综合性应用科学。它以不改变被检测对象的状态和使用性能为前提，应用物理和化学理论，对各种工程材科、零部件和产品进行有效的检测和测试，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及力学、物理性能等。无损检测具有不破坏就可以对试件进行检测的优点。无损检测主要包括三个内容：无损探伤、测试和监控。( 1 ) 无损探伤。发现材料或工件中的缺陷，确定缺陷的位置、数量、大小、形状及性质；( 2 ) 测试。测定材料的机械或物理性能( 如裂纹扩展速率、机械强度、硬度、电导率，磁性等) ，检查产品的性质和状态( 如热处理状态、应力应变特性、硬化层深度、应力腐蚀等) ，以及进行产品的几何度量( 如产品的几何尺寸，涂层、镀层或板厚的测量) 等；( 3 ) 监控。对正在运行的设备中的重要部件进行现场或动态检测，将部件中产生缺陷的变化信息连续地供给检测者，从而实行现场监控，保障设备的运行安全。无损检测的特点主要有：( 1 ) 无损检测不会对构件造成任何损伤；( 2 ) 无损检测为查找缺陷提供了一种有效方法；( 3 ) 无损检测能够对产品质量实施监控；( 4 ) 无损检测能够防止因产品失效引起的灾难性后果；( 5 ) 无损检测具有广阔的应用范围。在民用飞机维修管理中，无损检测技术对提高老龄飞机在其延长服役寿命和现役飞机在使用寿命期的结构完整性，保证飞机安全飞行以及制定维修规范起着重要的作用。2 3 2 耳视检查与特殊日视检查目视确定结构损伤的范围和程度是确定结构损伤的基本方法。绝大部分结构损伤都是通过目视检查结构发现的。2 3 2 1 目视检查法的主要特点( 1 ) 简便，快速：( 2 ) 能有效发现具有表面特征的损伤；( 3 ) 是损伤的初检方法，有利于早期发现损伤；0中日民航人学硕i 学位论文( 4 ) 只需要使用普通检测工具，如手电筒、反光镜、放大镜、量规，刻度尺；( 5 ) 检测结果受检测人员的主观因素影响大。z 3 z 2 目视检查法的分类目视检查通常分为一般目视检查、详细目视检查和增强目视检查。一般目视检杏是指距离被检查结构一定距离，通过反光镜、手电筒等辅助检查设备发现结构损伤，没有固定的检查目标，有时需要对局部结构进行表面清洁。它可以发现带有典型外部特征的结构损伤，例如腐蚀产物、较长的疲劳裂纹、紧固件松动造成的“黑尾巴”等。一般目视检查发现结构损伤后，往往需要通过详细目视检查以及其他的无损检测手段来确定结构损伤的范围和程度“”。详细目视检查是对特定区域或者结构进行近距离目视检查。详细目视检查一般有确定的目标，需要借助一些辅助设备，例如反光镜、放大镜、手电筒等。详细目视检查往往需要清洁结构表面、铲除密封胶、拆除相关区域的结构件等。大部分结构外表面的损伤通过详细日视检查后，就可以确定结构损伤的范围和程度并确定去除损伤的方法。增强目视检查是用来寻找表面的信息，例如凹痕、表面裂纹、或者其他的表面形变。与传统的无损检测方法比较，增强目视检查显示了一种速度上的优势，因此可适用作最初的检测，以免需要进行传统无损检测造成飞机很长的停工期。已经投入使用的增强目视检查有d s i g h t 和e o l 法。( 一) d - s i g h td - s i g h t 是由d i f f r t o 公司的研究员d o nc l a r k e 和r o d g e rr e y n o l d s 在1 9 8 3 年在研究各种检查汽车车身表面损伤的技术时发明的。d - s i g h t 是一种不接触被测物体的光学技术，它能很好的放大表面形变，且可以清楚的观察到。操作简单并具有固有放大率高的优势，使其变成一种理想的检测大面积的技术，可以快速的进行大面积的检测，并且有很高的灵敏度。机器视觉分析技术的有效性提供了一个在数字化图像中自动定位以产生局部缺陷的机会，同偏移的速率有关。而且，这些数字图像能被存储和调用以供进一步的比较，并且总是允许跟踪检查表面的任何形变。ds i g h t 是一个把局部表面曲率变化变化部的变化转化为狄度变化的光学过程，这个过程极其的灵敏( 达到两微米的表面高度改变) ，并且有一个比较大的动态范围。灵敏度可以通过改变系统光学参数调节，这一特征允许其具有特殊应用。“。圆圈2 - ld - s i g h t 原理图中圈民航人学硕l ：学位论文图2 - 1 给出d - s i g h t 过程的基本组成要求：一个包含c c d 摄像头和点光源的摄像机、被检验的表面和一个回射屏。来自点光源的光线传播并冲击被检面，接着反射到回射屏上，回射屏再把光线经被检面反射到点光源。如果屏幕是一个良好的回射器，那么安放在点光源上边的摄像机只能显示出一个黑色的表面；相反，如果回射屏不是良好的，则经过被检面反射回一个锥型的光束到光源，摄像机捕捉到的光的强度由调节包含所有点的被检面的斜度来确定。因此，通过摄像机观测到的光强度的变化表现为一副被检测表面的表面斜度变化的图像，这种表面斜度图像就叫做d 目视法图像，并且可以直接用来显示表面的质量或者可以用来推断亚表面的状况。由于光路特性，图像在光路的法向上产生变形，因此检验图像的分辨率的大致变化为水平方向2 5 个象素每英寸，在垂直方向上为7 5 个象素每英寸，亮度分辨率是8 比特。d 目视法具有许多独特的要求和特征：( 1 ) 在d 目视法中，由于图像根据光亮度的变化进行判断，要求被检测表面必须是发射性的。( 2 ) d 目视法的效果可以通过使用几何的光学的原则解释，当使用这种方法检测一个波状的表面时，表面将呈现更明亮或者更黑暗。( 3 ) d 目视法检测速度快而灵活，能够检测检测不同类型的损伤，腐蚀以及冲击引起的裂纹等，节约飞机服役中的成本。( 4 ) d 目视法检测仪器使用方便并且便于携带，能够独立使用，并且在很多地方都可以应用。( 5 ) 图像可以照下或者数字化，并且使用图像处理器分析，能够存储这些信息，便于使用和校对，在以后的进一步评估中可以被随时检索。d 目视法可用来检测碰撞造成的凹痕，或者腐蚀引起的缺陷。对这些表面损伤应用d 目视法检测具有明显的优势，通过下面的例子将能看到d 目视法检测的效果。图2 _ 2 不可接触表面的d _ s i g h t 图像中国民航大学硕 j 学位论文图2 2 显示的是在一个复合材料部件中检测不可接触表面的波形皱褶的情况。图23 加强片后结冰造成损伤的d s i g l t t 图像图2 - 3 给出的是加拿大退役的螺旋桨客机在靠近发动机前端的机身部分的i ) - s i g h t图像，在高转速下，螺旋桨上的水结成冰并且以很高的速度击打在机身上。为了防止这种情况出现，在该区域放罨一块铝制的加强片，但是图示显示，放置的加强片后冰击集中到了加强片的后面。( 二) e o l 检测法由n r c ( n a t i o n a lr e s e a r c h c o n i t t e e 加拿大国家研究委员会) 获专利的e o l ( e d g eo fl i g h t ，光刀法) 检测方法装置，包括一个精密的光源和一个支撑在特定的距离的探测器。应用裂缝后的光源，在被扫描的目标的表面产生一个特别的光带。在光带的主区域，强度大部分是固定的，但是在边缘区域由于衍射效应按距离迅速的下降。e o l 扫描仪的探测器用来构成操作这种“发光体”迅速改变强度的区域的中间部分。考虑到光源和捕捉表面反射的光，探测器被固定在一个固定的位置。当表面光滑时，反射光的强度是恒定的。但是，任何表面特征看起来从表面反射来的光线在边缘改变角度。e o l 扫描仪在执行通过扩展或者压缩边缘光带的特殊的应用时有优越性，改变照射的角度，或者改变观测的角度。扫描仪沿着其感兴趣的表面提供的瞬间表面特征，例如，裂纹尖端的变形或者腐蚀引起的褶皱效应而传播。因此，e o l 方法在检测表面裂纹，搭接处的腐蚀或者一般的表面缺陷时有潜力。1 。这种方法被用在研究表明，包括几种用在j 8 5c a n4 0 压缩圆盘的无损检测技术的缺陷检出概率中，相比于液体渗透法、磁粉检测法和超声波检测法，效果更好，但是没有涡流检测法好。中田民航大学碗i 学位论立翻2 4 铆钉孔周嗣的e o l 图像图2 4 描述的是出现在波音7 3 7 蒙皮上的两铆钉问裂纹的e o l 图像，可以发现，每个铆钉向外延伸了两条裂纹，铆钉头直径约为7 毫米。幽2 - 5 腐蚀引起的褶皱的e o l 幽像图2 5 描述的是飞机纵梁搭接处由于腐蚀在铆钉问引起的褶皱的e o l 图像，其中上图为用右眼看到的情形，下图为e o l 图像。2 3 3 常规n ) t 方法简介射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测并列为无损检测的五大常用技术，在此，仅就各种检测方法的优点和适用范围做简明的介绍。2 3 3 1 射线检查x 射线检测法是航空维修中广泛应用的射线检测法。( 一) x 射线检测的优点( 1 ) 能准确，可靠、直观地显示材料内部缺陷，可对其定量、定性和定位、( 2 ) 能显示制作材料成分的明显变化；( 3 ) 显示结果为永久性记录，以资质量凭证；( 4 ) 可显示密封组合件的内部结构。( 二) x 射线检测法的适用范围x 射线照相法是适用于检出内部缺陷的无损检测方法。它在船体、管道和其他结构的焊缝和铸件等方面应用的非常广泛。对厚的被检测物来说，可使用硬x 射线，薄的被检物使用软x 射线。能穿透钢铁的最大厚度约为4 5 0 r a m ，铜为3 5 0 r a m ，锅约为1 2 0 0 r a m 。对于如气孔、央渣和铸造孔洞等缺陷，在x 射线透射方向有较明显的厚度差别的，即使很小的缺陷也较容易检查出来。相反地，例如像裂纹那样虽然有一定的面积而厚度很薄的缺陷，只有与裂纹方向平行的x 射线照射时，才能够查出，这是因为在照射方向上几乎没有厚度差别的缘故。因此，有时要改变照射方向进行照相。1 4中国民航大学硕1 学位论文适用于飞机、发动机上承力件焊缝内部焊接质量的检查；飞机蒙皮、桁条、肋条间的裂纹、腐蚀以及外来物；检查蜂窝结构内部是否有水。2 3 & 2 超声波检测法超声波检测一般是指使超声波与试件相互作用，对反射、透射和散射的波进行研究，进行试件的宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用进行评价的技术。( 一) 超声波检测的优点( 1 ) 作用于材料的超声强度足够低最大作用力远低于弹性极限；( 2 ) 可用于金属、非金属、复合材料制件的无损评价；( 3 ) 对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较之其他无损检测方法有综合优势；( 4 ) 仅需从一侧接近试件：，( 5 ) 设备轻便对人体及环境无害，可作现场检测；( 6 ) 所用参数设置及有关波形均可存储供以后调用。( 二) 超声波检测的适用范围要注意探头的选择和扫描方法，使得超声波尽量能垂直地射向缺陷面。超声波检测对于平面状的缺陷，不管其厚度如何薄，只要超声波是垂直地射向它的，就可以取得很高的缺陷回波。另一方而，对球形缺陷，假如缺陷不是相当大，或者不是较密集的话，就不能得到足够的缺陷回波。因此，对钢板的层叠、分层和裂纹的检测分辨率是很高的，而对于单个气孔的检测分辨率很低。适用于飞机、发动机上承力件的表面和内部裂纹等缺陷故障的检查，也可用于检查材料的厚度。2 3 3 3 磁粉检测磁粉检测是一种比较古老的无损检测方法，被广泛地应用于探测磁铁材料的表面和近表面缺陷( 裂纹、折叠、夹层、夹杂物及气孔) 。磁粉检测对表面缺陷最灵敏，对表面以下的缺陷随埋藏深度的增加检测灵敏度迅速下降“1 。( 一) 磁粉检测的特点磁粉检测比采用超声波或射线榆测的灵敏度高，而且操作简便、结果可靠、价格便宜，适合于磁性材料表面和近表面缺陷的检测。不能检测非磁性材料如有色金属、奥氏体不锈钢和非金属材料等，对于与表面或近表面成垂直方向的缺陷比较灵敏，磁性材料的非磁性材料涂层超过5 0 a m 时，灵敏度影响较大，知道缺陷的位冠，但并不能知道缺陷的深度，探测内部缺陷是很困难的。( 二) 磁粉检测的适用范围磁粉检测适用于检测钢铁等磁性材料的裂纹等表面或近表面缺陷，例如铸件、锻件、焊缝和机械加工的零件等表面缺陷。2 3 3 4 渗透检测法中园民航人学颂l ：学位论文渗透检测法是一种检查工件或材料表面缺陷的一种方法，它不受材料磁性的限制，比磁粉检测的应用范围更加广泛。在现代工业探伤中应用的渗透检测主要是液体渗透检测的荧光渗透检测和着色渗透检测。( 二) 渗透检测法的优点( 1 ) 钢铁、有色金属、陶瓷和塑料等表面缺陷都可以渗透检测；( 2 ) 即