疲劳与腐蚀交替作用下飞机搭接件疲劳寿命预测

Fatigue life predictions of aircraft lap joint under alternate action of fatigue and corrosion are important for aircraft safety. But some drawback exists in the presented approaches. The essence of initiation and develop of MSD will be invested through alternate experiment of fatigue and corrosion and theory study. The model of destroy and fracture mechanics of lap joints can be achieved, and then question about how does MSD develop and how is affected by corrosion can be answered. Theory model of corrosion pillowing is presented to solve the problem that how to assessment pillowing stress based on corrosion damage. Based on initial discontinuity state (IDS) data, a corrosion fatigue holistic predictive model that can incorporate the effects of various corrosion damage and age-degradation into a systematic damage tolerance framework is presented .The SIF of lap joint with MSD and method of fatigue stress plus pillowing stress will be studied. These can dynamical predict fatigue life of lap joints. The achievements can provide theory and technology to research sensitivity of corrosion and fatigue of lap joints.

疲劳与腐蚀交替作用下飞机搭接件的疲劳寿命预测问题，事关飞机安全。但现有预测方法存在一些不足。本项目将采用试验和理论相结合的方法，紧紧抓住腐蚀环境和疲劳载荷交替作用下，飞机搭接件MSD裂纹损伤萌生及MSD裂纹演化的本质。通过疲劳载荷与腐蚀的交替试验，建立描述搭接件在疲劳与腐蚀交替作用下的破坏模式及断裂机理，解决MSD在搭接件中形成位置、何时产生及腐蚀对MSD的影响等问题。在理论上，建立枕垫效应模型，将损伤物理形态-腐蚀损伤程度-枕垫应力三者有机结合起来，解决腐蚀搭接件损伤程度和枕垫应力大小难以确定的问题。基于材料的初始不连续状态（IDS），将疲劳、腐蚀及其交互作用和随着时间发生的日历退化纳入到一个统一的损伤容限框架中，提出损伤物理机制更为合理的MSD应力强度因子计算模型和应力谱叠加技术，实现寿命预测动态化。其成果可为飞机搭接件的腐蚀和疲劳敏感性评估提供理论与技术支撑。

搭接件是飞机结构的关键部件，也是飞机结构中的薄弱环节。目前研究还缺少完整地描述疲劳与腐蚀同时存在及相互作用影响的理论与知识，特别是疲劳和腐蚀的交替作用对搭接件疲劳性能的影响至今仍未很好地解决。针对服役条件下海军飞机结构的腐蚀特点，以现有的工程方法为基础，系统开展了宽板搭接件的腐蚀与疲劳基准、参数改变对比和交替试验、枕垫效应研究、多裂纹应力强度因子求解、疲劳与腐蚀交替作用下搭接件全寿命预测模型等研究。结果表明：1）对于宽板搭接件，裂纹主要在螺栓孔边缘形成，并沿厚度和垂直载荷方向扩展；2）对于宽板搭接件的形成寿命，第二弯矩起着一个关键作用，且受整个试件的尺寸、铆钉尺寸和铆接过程的影响；形成寿命对试件内的最大腐蚀程度较敏感，钉孔处第一个可见裂纹主要出现在腐蚀严重区域内的钉孔处；3）与基准疲劳试验相比，预腐蚀疲劳降低疲劳寿命38%，但MSD的形成不统一，腐蚀与疲劳交替时产生了更严重的腐蚀损伤和较统一的MSD，但到可视裂纹时，疲劳寿命的降低相对没那么严重；4）搭接结构中一旦出现裂纹连通，会对主裂纹的扩展寿命产生质的影响，结构在很短的时间内就会发生破坏；5）偏移距离和相对大小是决定两个表面裂纹之间相互影响的重要参数，当不同长度相互影响的裂纹的尺寸相差较大时候，较大裂纹对较小裂纹产生抑制作用；6）搭接件的危险部位会发生变化，如不能及时的更改探伤裂纹产生位置，将会增大搭接件失效的危险性；分析腐蚀对搭接件的影响时，只考虑蒙皮厚度的变化，而不考虑枕垫应力得出的结果将是保守和危险的；7）参考光栅方法剔除温度变化对光栅波长的影响，使得光栅波长变化量可以较好的描述将不同时间下腐蚀引起的枕垫效应损伤程度；8）建立了考虑多种因素的含MSD 宽板搭接件疲劳寿命计算模型，且具有一定的精度，为腐蚀条件下军用飞机结构损伤容限评定提供了可靠的理论依据，为现役军用飞机的维护、检查、修理、结构延寿提供了合理有效的工程方法。