第九十九章 結構疲勞與損傷容限設計

這一天晚上菲利普和梅塞施密特做設計方案一直做到了凌晨五點半,總算是把初步方案弄好了。在與菲利普的探討過程中,梅塞施密特再次被菲利普的深厚造詣和獨特而新穎的觀點所折服,他甚至懷疑自己是不是不適合做飛機設計師了。

當兩人在探討商務運輸機的總體設計時,菲利普提出的“飛機結構疲勞與損傷容限設計”就着實把梅塞施密特震驚了一把,他還從未聽說過這個概念。

梅塞施密特拍了拍有些迷糊的腦袋,用訝異得不能再訝異的眼神看着菲利普道:“菲利普,你的腦袋裡怎麼總是有那麼多奇奇怪怪的東西,而且每次你提出來的概念都快讓我這個航空工程博士有點迷糊,唉,看來你纔是一名真正的飛機設計大師呀,我們這些人都老了,跟不上步伐了。這個飛機結構疲勞與損傷容限設計到底是個什麼概念,你倒是仔細說說看,我也好學習學習新的知識。”

菲利普爲什麼要在這次的商務運輸機總體設計方案裡引入飛機結構疲勞與損傷容限設計呢,這是因爲從後來的飛機結構設計思想變遷來看,飛機設計史上很多的技術進步及設計理念演變都來源於飛行事故的教訓和啓發,儘管飛行事故是飛機設計師最不願意看到的,但是不得不承認的一點是,即使在航空工業高度發達的二十一世紀,人類對於飛行和飛機設計依然處於不斷探索的階段。菲利普作爲一名穿越而來的兵工專家,對於飛機結構設計的演變可謂非常清楚,每一次變革都是血的教訓,因此菲利普不希望自己設計出來的商務運輸機出現設計上的問題,特別是結構問題。

菲利普清楚的記得,航空史上比較有名的英國彗星噴氣式客機,就是因爲在結構設計上出現問題而導致接連出現墜機事故,最後彗星客機停飛。在一年時間裡,有3架彗星客機在空中解體墜毀,後來調查研究顯示,由於彗星使用了增壓座艙,由於座艙的加壓結構設計經驗不足,長時間飛行及頻繁起降使機體反覆承受增壓和減壓的交變應力而引發金屬疲勞,就是彗星客機解體墜毀事故的原因。而這次的商務運輸機競標,將採用增壓座艙設計,所以這個問題不能迴避。要知道彗星客機的事故,直接斷送了這種客機和它的設計製造者德哈維蘭公司的前途,菲利普可不想剛剛建立的龍魂兵工聯合體遭遇和德哈維蘭公司一樣的命運。

飛機結構設計思想的發展,經過了5次大的變遷,菲利普在大學時曾經學過。在二十世紀五十年代之前,飛機結構設計基本上都是按靜強度設計,而到了五十年代之後,六十年代之前,慢慢採用了安全壽命思想設計,七十年代之後又提出破壞-安全設計思想,即損傷容限設計。

看到梅塞施密特一臉期待,菲利普整理了一下思緒道:“飛機結構的受載不僅有靜載荷的特點,還有周期性載荷的性質,比如我們要採用的氣密性增壓座艙,它的增壓載荷也就是一個週期性載荷,在重複載荷作用下,即使應力水平很低,飛機結構也可能發生疲勞破壞,導致災難故發生。因此只按靜強度設計飛機並不能很好的保證飛機在飛行中的安全,特別是商務運輸機,它裝載的是衆多的旅客,一旦發生事故,其影響非常大,甚至可能斷送一家飛機制造公司的前途。所以我們要引入疲勞設計概念和損傷容限設計概念。”

梅塞施密特想了想道:“可是我們按目前的結構設計方法設計的飛機並沒有出現多少這類事故,這是爲什麼呢”

菲利普點了點頭道:“威利博士,在這之前設計的飛機疲勞問題並不突出,是因爲在設計時只考慮了強度剛度要求,但是受限於較低的結構設計水平,留出了較大的強度儲備,安全係數較高,使得飛機在使用中的應力水平比較低。這樣一來,飛機結構的疲勞問題就被掩蓋起來了。比如說,容克公司的ju523m運輸機,它的結構重量達到了5噸左右,最大起飛重量10噸左右,而載重量卻只有一噸多,這樣的結構設計水平是非常低的,當然這是在我看來。而我們要在這次競標當中壓倒容克公司,很重要的一點就是要在結構設計上大大領先於對手,而且我們採用了增壓座艙,要在結構重量只有對手一半左右的情況下,達到相同的載客人數和載重量,就必須要引入飛機結構疲勞與損傷容限設計。”

梅塞施密特恍然大悟道:“菲利普,聽你這麼一說,我總算是明白了這正是一次引領飛機設計變革的機會呀,有了這個設計理念和方法,我們就在設計上大大領先於其他飛機制造公司菲利普,你真是太令我佩服了那具體我們應該怎麼做呢”

菲利普打了個哈欠,緩緩道:“疲勞設計是建立在無裂紋的基礎上,只考慮無裂紋壽命,爲了提高結構疲勞強度,可適當選擇材料,控制應力水平,通過細節上的設計改善抗疲勞品質,降低外形、材料和載荷不連續造成的應力集中,同時在生產過程中控制好質量。比如說在設計飛機上的一些開口時,就要考慮到應力集中的問題,現在的飛機通常都設計成方形等轉角較爲尖銳的形狀,這樣應力就會集中,我們要採用倒圓角或是橢圓開口的方法,這樣應力就不那麼集中,從而不容易出現裂紋,確保使用壽命和安全。”

喝了一口水潤了潤嗓子,菲利普繼續道:“而損傷容限設計,只考慮帶裂紋壽命。由初始裂紋到臨界裂紋的裂紋擴展壽命就是結構的總壽命,通過引入與裂紋擴展速率相關的檢查週期,以控制裂紋擴展壽命和剩餘強度,還可以通過質量控制、無損檢測和合理選材提高可靠性。”

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