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飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞

疲勞是指在低于材料極限強(qiáng)度（ultimate strength）的應(yīng)力（stress）長(zhǎng)期反復(fù)作用下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)容許Zui大應(yīng)力的情況下，因此常能躲過(guò)一般人的注意而不被發(fā)覺(jué)，這也是疲勞比較危險(xiǎn)的地方。

材料在承受反復(fù)應(yīng)力的作用過(guò)程中，每一次的應(yīng)力作用稱(chēng)為一個(gè)應(yīng)力周期（cycle），此周期內(nèi)的材料受力狀態(tài)，由原本的無(wú)應(yīng)力先到達(dá)Zui大正應(yīng)力（拉伸應(yīng)力），然后到達(dá)Zui大負(fù)應(yīng)力（壓縮應(yīng)力）zui后回到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。在此受力過(guò)程中，每一個(gè)應(yīng)力周期所經(jīng)歷的時(shí)間長(zhǎng)短（即︰頻率）與疲勞關(guān)系甚微，應(yīng)力周期的振幅及累積次數(shù)才是決定疲勞破壞發(fā)生的時(shí)機(jī)；另外，壓縮應(yīng)力不會(huì)造成疲勞破壞，拉伸應(yīng)力才是疲勞破壞的主因。

疲勞破壞大致分為兩類(lèi)︰低周期疲勞（low cycle fatigue）及高周期疲勞（high cycle fatigue）。一般而言，發(fā)生疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力周期次數(shù)少于十萬(wàn)次者，稱(chēng)為低周期疲勞；高于此次數(shù)者，稱(chēng)為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應(yīng)力較大，經(jīng)常伴隨著結(jié)構(gòu)的永久塑性變形（plastic deformation）；高周期疲勞的作用應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)變形通常維持在彈性（elastic）范圍內(nèi)，所以不致有永久變形。

材料疲勞破壞的進(jìn)程分為三階段︰裂紋初始（crack initiation）、裂紋成長(zhǎng)（crack growth）、強(qiáng)制破壞（rupture）。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續(xù)處，材料晶格（lattice）在外力作用下沿結(jié)晶面（crystallography plane）相互滑移（slip），形成不可逆的差排（dislocation）移動(dòng)，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸（extrusion）及內(nèi)凹（intrusion），造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應(yīng)力周期的拉伸應(yīng)力連續(xù)拉扯下逐漸成長(zhǎng)，并使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當(dāng)裂紋成長(zhǎng)到臨界長(zhǎng)度（critical length）時(shí)，材料凈承載面積下的應(yīng)力已超過(guò)材料的極限強(qiáng)度，此時(shí)的材料強(qiáng)制破壞也就無(wú)法避免了。

芬蘭便攜式X射線應(yīng)力分析儀可快速、輕松分析齒輪、軸承、軋輥、曲軸、凸輪軸、壓力容器管道以及其它一些零部件在熱處理、機(jī)加工、焊接、噴丸、滾壓等處理過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

航空史上zui著名的軍用飛機(jī)疲勞破壞事件，應(yīng)該是1969年美國(guó)空軍的F-111空中解體。

F-111結(jié)構(gòu)中有個(gè)特殊的可變后掠機(jī)翼設(shè)計(jì)，這是因?yàn)楣潭ㄊ綑C(jī)翼在特定的飛行速度、高度、大氣溫度、大氣密度、引擎推力……下，有zui佳的性能表現(xiàn)，一旦其中某個(gè)因素改變，性能就會(huì)降低。而可變后掠機(jī)翼則完全無(wú)此缺點(diǎn)，它就像是設(shè)計(jì)各種不同的機(jī)翼，來(lái)配合飛行中不同的飛行情況，例如：起降時(shí)把機(jī)翼完全向外伸展，增加機(jī)翼的升力，縮短起降距離；亞音速巡航時(shí)則把機(jī)翼部分后掠，減少機(jī)翼的阻力；超音速貼地飛行時(shí)則將機(jī)翼全角度后掠。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞zui常發(fā)生于幾何形狀不連續(xù)處，因此在維護(hù)延長(zhǎng)服役年限的老飛機(jī)時(shí)，對(duì)一些幾何面積變化較大的位置，如︰R角、鉚釘孔邊……，都得特別留意。比較麻煩的是有些結(jié)構(gòu)件在原本的設(shè)計(jì)負(fù)載下，預(yù)期使用期間不會(huì)有疲勞破壞的顧慮，因此未留下檢查進(jìn)手空間，或是結(jié)構(gòu)需大部拆解后才有辦法檢查，這些位置在延長(zhǎng)服役期間如果未能檢查，就會(huì)有相當(dāng)?shù)臐撛陲w行安全風(fēng)險(xiǎn)。

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