飞机的结构振动疲劳基础问题研究

振动环境工程 (vibration environmental engineering) 作为环境工程的一个分支，它是保证产品特别是军工产品的研制生产达到预期使用要求的重要技术支持[1]。振动环境工程主要包括：振动环境条件、振动环境效应、振动环境适应性设计和振动环境试验。振动环境效应是研究振动环境对产品结构和性能所造成的不利影响，迄今为止，振动环境效应的研究成果主要来源于实践经验和终结。根据各种振动诱发故障的统计，振动环境可能导致的最常见的故障模式是振动疲劳。

振动疲劳的产生也是现代疲劳强度理论发展的必然结果。随着现代科学技术的发展，人们不断研制出速度越来越高、功率越来越大的机械设备，以适应航空航天、交通运输、武器装备以及石油开采等领域，在功率和速度方面提出的日益增长的要求，这一发展趋势对于现代疲劳强度理论的发展起着深刻的影响。第二次世界大战以来，发生了多起飞机疲劳失事事故，在动力机械的其它领域中，也发生过各种各样的疲劳事故，这使得结构在振动环境下的疲劳破坏成为突出的问题。随着结构动力技术渗透到结构设计的各个领域，结构的动力特性对结构破坏的影响不可忽视，动态特性已成为现代疲劳破坏的重要特征，为机械结构在抗疲劳设计方面带来了革命性的变化，并大大促进现代疲劳向考虑结构动力特性的疲劳理论方向发展。20世纪60年代CRANDALL和70年代国内航空领域提出的振动疲劳研究反映了这一发展趋势。

疲劳可以分为常规疲劳、断裂疲劳以及振动疲劳，它们分别以弹塑性力学、断裂力学、结构动力学为理论基础。三种疲劳破坏没有本质的差异，只是研究方法和分析疲劳时考虑的因素不一样，同时也反映了疲劳研究不断发展与精确化的过程。

由于近代工业水平的快速发展，各种机械设备之中存在大量的振动问题，因振动引起的疲劳破坏问题日益突出，进一步推动了发展以结构动力学为理论基础的振动疲劳研究阶段。19世纪50年{BANNED}始，随机振动理论与方法在航空航天工业中开始应用。1963年首先提出了振动疲劳的定义，它指出：“振动疲劳是指振动载荷作用下产生的具有不可逆且累积性的结构损伤或破坏。”这一定义对于常规疲劳强度理论并没有带来显著的改变，也没有涉及振动疲劳现象的动力学本质。

20世纪70年由于发展加速振动强度试验的需要，国内工程技术人员就已经提出了振动疲劳这一新的概念。随后陆续有研究人员对振动疲劳强度这一新的问题展开了一系列相关方面的研究，但研究内容主要集中在振动疲劳的基本定义、振动疲劳寿命计算方法以及振动与疲劳裂纹相互影响等方面。姚起杭等人认为 “振动疲劳是结构所受动态交变载荷（如振动、冲击、噪声载荷等）的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近，从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象，也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。

所以，只有结构在共振带宽内或其附近受到激励导致的共振破坏才属于振动疲劳破坏，否则都属于静态疲劳问题。孙伟在其学位论文中将振动疲劳定义为：“当振动频率与结构模态频率相当时，即可视为振动疲劳问题。如果频率远小于结构模态频率时（频率在几或十几），就是普通疲劳问题。当振动频率远大于结构模态频率，以至于与声波频率相当时，即可视为声疲劳进行处理。”  在其学位论文中也提到振动疲劳一词，它指出振动疲劳与噪声和频率有关。虽然他们给出的定义不完全相同，但是都认为结构的振动疲劳与循环载荷的变化频率、结构的固有频率、交变应力的大小，以及结构对循环载荷的动力响应等因素密切相关。

在结构振动疲劳寿命估算方法方面。王明珠等人提出了一种结构随机振动疲劳寿命估算的样本法，通过该样本法能够处理在频域内利用谱密度描述的宽带随机振动载荷的情况。张积亭等人提出了一种随机振动疲劳寿命预计的简便数据处理方法，该方法将随机响应功率谱密度求出的特征频率作为平均频率进行数据处理。安刚等人根据自相关函数的极限性获得结构响应应力的统计特性，然后进行疲劳寿命分析。吴启鹤等人根据给出的方法从随机载荷历程的功率谱密度 (PSD) 中求得载荷幅值的概率分布函数，然后应用累积损伤理论估算结构振动疲劳寿命。王长武等对机载设备进行了随机振动疲劳寿命的仿真分析。

周敏亮等人对国内外几十年来形成的主要的振动疲劳分析方法进行了归纳整理，为飞机设计和维修提供振动疲劳的设计与分析技术支持文献。黄超广等人提出了一种正弦激振载荷作用下结构的疲劳寿命估算方法，并应用Visual Fortran6.5程序平台开发出相应的振动疲劳分析程序。王荣乾在学位论文中基于模态分析理论、随机振动理论和随机疲劳理论，利用有限元对新旧机柜上电子设备的动态性能和机柜的疲劳性能分别进行了计算分析。

除此之外，还对振动疲劳强度问题开展了大量的其它相关研究。陆榕海等人针对发动机涡轮叶片的振动及振动疲劳破坏进行了理论分析，结果表明叶片的抗振动疲劳的能力主要取决于材料性质及叶片的形式、表面状态，与静强度无关。研究了装备中的小口径管道的振动疲劳问题。利用有限元法，基于功率谱密度函数，在频域内分析了随机振动载荷作用下的疲劳破坏。另外，还有很多研究人员分别从不同的角度研究了振动疲劳强度各个方面的问题。

2. 立项依据与研究意义

疲劳 (Fatigue) 是指结构的材料、零件和构件在循环载荷作用下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，并使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。影响结构疲劳的因素有很多，包括应力应变集中、结构尺寸、表面状况、载荷类型、温度、腐蚀介质以及振动等环境。振动疲劳 (Vibration Fatigue) 则是研究振动环境下，结构及零件的疲劳与破坏过程。

随着现代工程技术的发展，各种生产设备、运输机械以及武器装备正朝着高速、大功率的方向发展，使得结构的振动环境越来越复杂，各种振动问题成为工程界越来越受关注的问题。发电机运转时要经受转子（包括柴油机的曲轴）旋转不平衡而产生的离心力，离心力方向的周期性变化，使机座承受周期交变的动载荷；汽轮机运行时要经受转子高速旋转而产生的周期性激振力，以及气道气流压力沿节距的不均匀分布所引起的周期性激振力等振动载荷；汽车行驶时要经受发动机产生的振动和噪声，以及地面不平、紧急刹车等引起的振动载荷；各种武器装备发射时要经受武器发射、投放、弹射等动作产生的振动载荷。特别是近代航空航天工业的发展，各种飞行器由于振动引起的破坏问题特别突出。飞机在飞行过程中结构要经受发动机产生的振动和噪声、各种非平稳气动力、着陆滑行及某些地面机动产生的振动冲击等动态载荷。火箭在飞行过程中要经受推力、气动和燃气流冲击等动态载荷。振动存在于空间飞行器的发射、飞行、直至完成使命的全部过程。

振动载荷不仅影响机器的正常运转，还会因为强度问题引起破坏。通常由振动引起的破坏形式主要包括振动疲劳破坏、振动峰值破坏以及振动一次通过破坏三种。振动疲劳破坏是振动破坏最常见的形式，它不同于其它任何形式的过载破坏。显然，振动与疲劳密切相关。虽然工程界对疲劳强度已经开展了大量的研究，包括对疲劳寿命曲线、疲劳累积损伤准则、疲劳寿命计算方法以及疲劳强度影响因素等各方面的研究，但很少有关振动环境对疲劳强度影响的研究。由于对振动疲劳缺乏系统和深入的研究与分析，致使对振动疲劳的动力学本质还没有深刻的认识。