第九十九章结构疲劳与损伤容限设计

这一天晚上菲利普和梅塞施密特做设计方案一直做到了凌晨五点半，总算是把初步方案弄好了。在与菲利普的探讨过程中，梅塞施密特再次被菲利普的深厚造诣和独特而新颖的观点所折服，他甚至怀疑自己是不是不适合做飞机设计师了。

当两人在探讨商务运输机的总体设计时，菲利普提出的“飞机结构疲劳与损伤容限设计”就着实把梅塞施密特震惊了一把，他还从未听说过这个概念。

梅塞施密特拍了拍有些迷糊的脑袋，用讶异得不能再讶异的眼神看着菲利普道：“菲利普，你的脑袋里怎么总是有那么多奇奇怪怪的东西，而且每次你提出来的概念都快让我这个航空工程博士有点迷糊，唉，看来你才是一名真正的飞机设计大师呀，我们这些人都老了，跟不上步伐了。这个飞机结构疲劳与损伤容限设计到底是个什么概念，你倒是仔细说说看，我也好学习学习新的知识。”

菲利普为什么要在这次的商务运输机总体设计方案里引入飞机结构疲劳与损伤容限设计呢，这是因为从后来的飞机结构设计思想变迁来看，飞机设计史上很多的技术进步及设计理念演变都来源于飞行事故的教训和启发，尽管飞行事故是飞机设计师最不愿意看到的，但是不得不承认的一点是，即使在航空工业高度发达的二十一世纪，人类对于飞行和飞机设计依然处于不断探索的阶段。菲利普作为一名穿越而来的兵工专家，对于飞机结构设计的演变可谓非常清楚，每一次变革都是血的教训，因此菲利普不希望自己设计出来的商务运输机出现设计上的问题，特别是结构问题。

菲利普清楚的记得，航空史上比较有名的英国彗星喷气式客机，就是因为在结构设计上出现问题而导致接连出现坠机事故，最后彗星客机停飞。在一年时间里，有3架彗星客机在空中解体坠毁，后来调查研究显示，由于彗星使用了增压座舱，由于座舱的加压结构设计经验不足，长时间飞行及频繁起降使机体反复承受增压和减压的交变应力而引发金属疲劳，就是彗星客机解体坠毁事故的原因。而这次的商务运输机竞标，将采用增压座舱设计，所以这个问题不能回避。要知道彗星客机的事故，直接断送了这种客机和它的设计制造者德哈维兰公司的前途，菲利普可不想刚刚建立的龙魂兵工联合体遭遇和德哈维兰公司一样的命运。

飞机结构设计思想的发展，经过了5次大的变迁，菲利普在大学时曾经学过。在二十世纪五十年代之前，飞机结构设计基本上都是按静强度设计，而到了五十年代之后，六十年代之前，慢慢采用了安全寿命思想设计，七十年代之后又提出破坏－安全设计思想，即损伤容限设计。

看到梅塞施密特一脸期待，菲利普整理了一下思绪道：“飞机结构的受载不仅有静载荷的特点，还有周期性载荷的性质，比如我们要采用的气密性增压座舱，它的增压载荷也就是一个周期性载荷，在重复载荷作用下，即使应力水平很低，飞机结构也可能发生疲劳破坏，导致灾难性事故发生。因此只按静强度设计飞机并不能很好的保证飞机在飞行中的安全，特别是商务运输机，它装载的是众多的旅客，一旦发生事故，其影响非常大，甚至可能断送一家飞机制造公司的前途。所以我们要引入疲劳设计概念和损伤容限设计概念。”

梅塞施密特想了想道：“可是我们按目前的结构设计方法设计的飞机并没有出现多少这类事故，这是为什么呢？”

菲利普点了点头道：“威利博士，在这之前设计的飞机疲劳问题并不突出，是因为在设计时只考虑了强度刚度要求，但是受限于较低的结构设计水平，留出了较大的强度储备，安全系数较高，使得飞机在使用中的应力水平比较低。这样一来，飞机结构的疲劳问题就被掩盖起来了。比如说，容克公司的JU52/3m运输机，它的结构重量达到了5吨左右，最大起飞重量10吨左右，而载重量却只有一吨多，这样的结构设计水平是非常低的，当然这是在我看来。而我们要在这次竞标当中压倒容克公司，很重要的一点就是要在结构设计上大大领先于对手，而且我们采用了增压座舱，要在结构重量只有对手一半左右的情况下，达到相同的载客人数和载重量，就必须要引入飞机结构疲劳与损伤容限设计。”

梅塞施密特恍然大悟道：“菲利普，听你这么一说，我总算是明白了！这正是一次引领飞机设计变革的机会呀，有了这个设计理念和方法，我们就在设计上大大领先于其他飞机制造公司！菲利普，你真是太令我佩服了！那具体我们应该怎么做呢？”

菲利普打了个哈欠，缓缓道：“疲劳设计是建立在无裂纹的基础上，只考虑无裂纹寿命，为了提高结构疲劳强度，可适当选择材料，控制应力水平，通过细节上的设计改善抗疲劳品质，降低外形、材料和载荷不连续造成的应力集中，同时在生产过程中控制好质量。比如说在设计飞机上的一些开口时，就要考虑到应力集中的问题，现在的飞机通常都设计成方形等转角较为尖锐的形状，这样应力就会集中，我们要采用倒圆角或是椭圆开口的方法，这样应力就不那么集中，从而不容易出现裂纹，确保使用寿命和安全。”

喝了一口水润了润嗓子，菲利普继续道：“而损伤容限设计，只考虑带裂纹寿命。由初始裂纹到临界裂纹的裂纹扩展寿命就是结构的总寿命，通过引入与裂纹扩展速率相关的检查周期，以控制裂纹扩展寿命和剩余强度，还可以通过质量控制、无损检测和合理选材提高可靠性。”