張騰， 何宇廷， 譚申剛， 王新波， 張勝

1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院， 西安 710038 2. 94484部隊， 高密 2615003.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院， 西安 710089

用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的系列材料性能指標(biāo)及其應(yīng)用

張騰1，2， 何宇廷1, *， 譚申剛3， 王新波3， 張勝1

1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院， 西安 710038 2. 94484部隊， 高密 2615003.中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院， 西安 710089

為提高飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)選材的合理性，從材料性能指標(biāo)的角度出發(fā)，在材料比強度、比剛度的常用基本指標(biāo)之外，結(jié)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，提出了材料比疲勞強度、比靜韌度、比動韌度、疲勞強度比、靜韌強比、疲勞韌強比共6個材料性能指標(biāo)的概念與計算方法。建立了基于系列材料性能指標(biāo)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材方法，考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則及結(jié)構(gòu)在實際使用過程中的功能需求，通過條件篩選縮小備選材料范圍，依據(jù)系列材料性能指標(biāo)進(jìn)行材料對比排序，并通過結(jié)構(gòu)驗證確定最終選材。以某型飛機(jī)機(jī)翼大梁的選材過程給出了應(yīng)用實例。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)選材； 比疲勞強度； 比靜韌度； 比動韌度； 疲勞強度比； 靜韌強比； 疲勞韌強比

結(jié)構(gòu)選材是結(jié)構(gòu)設(shè)計時的基礎(chǔ)工作，其目的是在保證結(jié)構(gòu)功能需求的基礎(chǔ)上降低制造、使用成本[1]。結(jié)構(gòu)選材的合理性對保證結(jié)構(gòu)安全、提高運行性能、降低使用成本具有決定性意義。為此，國內(nèi)外針對結(jié)構(gòu)的選材方法開展了大量研究。

文獻(xiàn)[2-6]從多準(zhǔn)則決策問題的角度出發(fā)，對結(jié)構(gòu)選材的加權(quán)因子法、數(shù)字邏輯法、線性分配法、優(yōu)先排序法等方法進(jìn)行了研究，這些研究主要是針對決策方法的研究，是建立在不同材料已完成了多個性能指標(biāo)對比排序的基礎(chǔ)之上。對于每種材料來說，它們都具有與之對應(yīng)的很多材料性能指標(biāo)，如何針對具體結(jié)構(gòu)的實際使用條件和使用需求，選取特定的材料性能指標(biāo)進(jìn)行不同材料的對比是結(jié)構(gòu)選材的基礎(chǔ)工作[7]。在不同工業(yè)領(lǐng)域，如汽車工業(yè)[8]、石化工業(yè)[9-10]、壓力容器[11]、核工業(yè)[12]、薄膜工業(yè)[13]、發(fā)動機(jī)[14]等，很多研究者專門針對結(jié)構(gòu)的具體使用條件和使用需求，對用于不同材料對比的材料性能指標(biāo)進(jìn)行了確定，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選材研究。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，由于飛機(jī)具有結(jié)構(gòu)破損后事故率高、運行成本高的特點，飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)對材料的選取具有明確的基本要求：既要保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的服役安全，又要盡可能地減輕結(jié)構(gòu)重量，使飛行成本最低。因此，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材時除了要考慮材料的基本性能指標(biāo)外，通常還要考慮材料的比強度和比剛度[15-16]，其分別反映了單位質(zhì)量材料的抗拉斷能力和抗變形能力。

然而，現(xiàn)階段飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材時不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強度和剛度性能，通常還要考慮損傷容限和耐久性水平。為此，本文專門針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的選材，在材料比強度、比剛度的基礎(chǔ)上，提出了材料比疲勞強度、比靜韌度、比動韌度、疲勞強度比、靜韌強比、疲勞韌強比共6個材料性能指標(biāo)，并建立了系列材料性能指標(biāo)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材過程中的應(yīng)用方法,可為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的選材過程提供支持。

1 系列材料性能指標(biāo)的概念與計算方法

現(xiàn)階段，中國飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的是包括了結(jié)構(gòu)強度、剛度、安全壽命、耐久性和損傷容限的結(jié)構(gòu)完整性綜合設(shè)計思想[17]。其中，結(jié)構(gòu)靜強度和剛度設(shè)計思想分別要求結(jié)構(gòu)的靜強度和變形滿足規(guī)定的要求；結(jié)構(gòu)安全壽命設(shè)計思想假設(shè)結(jié)構(gòu)無初始缺陷，要求結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足規(guī)定的要求；結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計思想要求結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壽命滿足規(guī)定的要求；結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計思想要求存在初始缺陷的條件下結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展壽命滿足規(guī)定的要求。

飛機(jī)所有的承力結(jié)構(gòu)首先要滿足靜強度和剛度設(shè)計要求；同時，不同結(jié)構(gòu)根據(jù)其任務(wù)特點所采取的其他設(shè)計思想也會有所不同。例如，關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)為了保證安全一般要按照損傷容限思想進(jìn)行設(shè)計；應(yīng)力敏感性高(損傷容限水平差)或不易檢查維修的結(jié)構(gòu)一般按照安全壽命思想進(jìn)行設(shè)計，但需要在加工后進(jìn)行嚴(yán)格的損傷檢查；從使用經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，大部分承力結(jié)構(gòu)一般要滿足可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)修理的耐久性要求等。

上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想均有對應(yīng)的材料性能參數(shù)。結(jié)構(gòu)靜強度設(shè)計和剛度設(shè)計分別對應(yīng)了材料的抗拉強度σb和彈性模量E，其分別表征了材料抵抗靜拉伸載荷和抵抗變形的能力；結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計對應(yīng)了材料的斷裂韌性KIC和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth，其表征了材料抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力；結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計和安全壽命設(shè)計對應(yīng)了材料的疲勞極限S-1，其表征了材料抵抗疲勞開裂的能力。

然而，現(xiàn)階段在飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材工作中能夠反映單位質(zhì)量下材料力學(xué)性能水平的材料性能指標(biāo)只有比強度和比剛度：比強度γσ/ρ又可以稱為比靜強度，是材料的抗拉強度σb與材料密度ρ的比值；比剛度γe/ρ又稱為比模量，是材料的彈性模量E與材料密度ρ的比值。這兩個指標(biāo)分別反映了單位質(zhì)量材料的抗拉斷能力和抗變形能力，僅對應(yīng)于靜強度設(shè)計和剛度設(shè)計。

對按照安全壽命、損傷容限或耐久性思想設(shè)計的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的選材，同樣需要類似的材料性能指標(biāo)來進(jìn)行不同材料的對比評估。為此，提出材料比疲勞強度γs/ρ、比靜韌度γk/ρ和比動韌度γkth/ρ的概念和計算方法。

由于疲勞極限S-1反映了材料疲勞性能的水平，材料比疲勞強度γs/ρ即為疲勞極限S-1與密度ρ的比值，材料的比疲勞強度越大表明結(jié)構(gòu)在達(dá)到相應(yīng)的疲勞強度時所用的材料質(zhì)量越輕。

損傷容限設(shè)計思想主要解決結(jié)構(gòu)的破損安全問題，其一是希望結(jié)構(gòu)在破損后有足夠長的裂紋擴(kuò)展壽命且臨界裂紋更長，以保證在結(jié)構(gòu)大修時足以發(fā)現(xiàn)裂紋；其二是希望結(jié)構(gòu)破損后裂紋盡可能不擴(kuò)展。前者主要與斷裂韌性KIC有關(guān)，在斷裂力學(xué)中定義為靜斷裂強度；而后者主要與裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth有關(guān)，定義為動斷裂強度。

比靜強度、比剛度、比疲勞強度、比靜韌度和比動韌度反映了材料在單位質(zhì)量下的某一項力學(xué)性能水平的高低。但對飛機(jī)結(jié)構(gòu)來說，其往往是按照多種結(jié)構(gòu)設(shè)計思想綜合考慮，為了反映出某種材料力學(xué)特性的偏重水平，在此提出了材料疲勞強度比γs/σ、靜韌強比γk/σ和疲勞韌強比γk/s的概念與計算方法。

疲勞強度比γs/σ是材料的疲勞極限S-1與抗拉強度σb的比值，反映了材料疲勞強度與靜強度的比例關(guān)系，疲勞強度比越大，說明由材料制成的結(jié)構(gòu)在達(dá)到相應(yīng)的靜強度要求時，結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂的能力越強，疲勞性能越好。

靜韌強比γk/σ是材料的斷裂韌性KIC與抗拉強度σb的比值，反映了材料的斷裂韌性與靜強度的比例關(guān)系，靜韌強比越大，說明由材料制成的結(jié)構(gòu)在達(dá)到相應(yīng)的靜強度要求時，結(jié)構(gòu)開裂后抵抗疲勞裂紋破壞的能力越強。

疲勞韌強比γk/s是材料的斷裂韌性KIC與疲勞極限S-1的比值，反映了材料的斷裂韌性與疲勞強度的比例關(guān)系，疲勞韌強比越大，說明由材料制成的結(jié)構(gòu)在達(dá)到相應(yīng)的疲勞強度要求時，結(jié)構(gòu)抵抗由疲勞裂紋引起的突然破壞的能力越強，結(jié)構(gòu)的破損安全性越好。

對于上述3種反映材料力學(xué)特性偏重水平的性能指標(biāo)，若材料的疲勞強度比和靜韌強比越大，說明由此材料制成的結(jié)構(gòu)強度余量越大，飛機(jī)在進(jìn)行大機(jī)動飛行或遇到強突風(fēng)時結(jié)構(gòu)越安全。若不同材料的比疲勞強度水平相差不大，則疲勞韌強比越大的材料其裂紋擴(kuò)展壽命在總壽命中所占比例越大，由其確定的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命限制越長，更適合制造損傷容限結(jié)構(gòu)；疲勞韌強比越小的材料其裂紋萌生壽命在總壽命中所占比例越大，由其確定的經(jīng)濟(jì)修理周期越長，更適合制造耐久性/安全結(jié)構(gòu)。

綜上所述，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的系列材料性能指標(biāo)的計算方法與單位如表1所示。

表1 系列材料性能指標(biāo)的計算方法與單位Table 1 Calculation methods and units of series of material property indices

2 系列材料性能指標(biāo)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材中的應(yīng)用

基于系列材料性能指標(biāo)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材方法如圖1所示，具體流程如下。

圖1 系列材料性能指標(biāo)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材中的應(yīng)用Fig. 1 Application of series of material property indices in aircraft structural material selection

1) 明確選材的結(jié)構(gòu)對象

根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求，確定要進(jìn)行材料選取的飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

2) 確定結(jié)構(gòu)功能與設(shè)計要求

對結(jié)構(gòu)所處位置、結(jié)構(gòu)受力情況、結(jié)構(gòu)功能需求、結(jié)構(gòu)失效后對飛行安全的影響程度(結(jié)構(gòu)重要度)、結(jié)構(gòu)的維修成本等因素進(jìn)行明確。

3) 確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則

根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要度、維修成本和材料特征等因素選取相應(yīng)的一種或多種設(shè)計準(zhǔn)則。

4) 確定備選材料范圍

根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能需求和受力情況等因素確定備選材料范圍。例如，有透光度要求的座艙蓋結(jié)構(gòu)，可以將備選材料劃定在有機(jī)玻璃和鋼化玻璃等透光性材料的范圍；有工作溫度要求的發(fā)動機(jī)葉片結(jié)構(gòu)，可以將備選材料劃定在鋼、鈦合金、陶瓷材料等耐熱性材料的范圍；有電磁要求的雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)，可以將備選材料劃定在碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料等無電磁遮蔽性材料的范圍。若選取的結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，則初步確定的備選材料范圍一般是現(xiàn)階段的主要承力材料，如鋼、鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等。

在初步確定了備選材料范圍后，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的一般性要求進(jìn)一步縮小備選材料范圍。例如，可以根據(jù)材料的空間限制和承載水平確定材料比靜強度的范圍，將不符合的材料剔除；可以根據(jù)材料的防腐蝕性要求將抗腐蝕性能不達(dá)標(biāo)的材料剔除；可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計加工制造成本將成本過高的材料剔除等。

5) 進(jìn)行材料對比并排序

在確定的備選材料范圍內(nèi)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則，通過對不同材料的系列性能指標(biāo)的對比，可以對材料的適合程度進(jìn)行排序。根據(jù)結(jié)構(gòu)的承力特性和設(shè)計準(zhǔn)則，可以分為以下幾種情況。

① 對于不承力結(jié)構(gòu)，在材料滿足結(jié)構(gòu)功能需求的前提下，僅需根據(jù)材料的密度進(jìn)行對比排序，密度最小的材料最優(yōu)。

② 僅按靜強度準(zhǔn)則設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其一般是只受靜載的結(jié)構(gòu)或在全壽命周期內(nèi)只受少次數(shù)小載荷的結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)的剛度一般能自動滿足設(shè)計要求，僅需根據(jù)備選材料的比靜強度進(jìn)行對比排序，比靜強度最大的材料最優(yōu)。

③ 主要按照剛度準(zhǔn)則設(shè)計的結(jié)構(gòu)主要是結(jié)構(gòu)變形過大引起的失效模式，在所選材料滿足靜強度要求的前提下，僅需根據(jù)備選材料的比剛度進(jìn)行對比排序，比剛度最大的材料最優(yōu)。

④ 主要按照安全壽命準(zhǔn)則設(shè)計的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)達(dá)到安全壽命設(shè)計指標(biāo)時，如果所用材料能夠滿足結(jié)構(gòu)的靜強度和剛度要求，僅需根據(jù)備選材料的比疲勞強度進(jìn)行對比排序，比疲勞強度最大的材料最優(yōu)。

⑤ 主要按照耐久性準(zhǔn)則設(shè)計的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)達(dá)到耐久性設(shè)計指標(biāo)時，如果所用材料能夠滿足靜強度和剛度要求，可以根據(jù)備選材料的比疲勞強度和疲勞韌強比綜合考慮進(jìn)行對比排序，比疲勞強度越大且疲勞韌強比越小的材料力學(xué)性能最優(yōu)；由于結(jié)構(gòu)耐久性是結(jié)構(gòu)抵抗開裂、腐蝕、熱疲勞、剝離、磨損和外來物損傷的能力，對于特殊部位的結(jié)構(gòu)選材，需要在材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的抗腐蝕老化、熱疲勞、硬度等指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。

⑥ 主要按照損傷容限準(zhǔn)則設(shè)計的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)達(dá)到損傷容限設(shè)計指標(biāo)時，如果材料能夠滿足結(jié)構(gòu)在含裂紋狀態(tài)下的靜強度和剛度要求，需根據(jù)備選材料的比靜韌度、比動韌度和疲勞韌強比綜合考慮進(jìn)行對比排序，比靜韌度越大的材料其抗破損安全性更高，比動韌度越大的材料其裂紋相對擴(kuò)展更慢；在比靜韌度值相差不大的情況下，疲勞韌強比越大的材料安全壽命越長，越小的材料經(jīng)濟(jì)修理間隔期越長，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體需求具體判斷。

⑦ 對于同時按照多種準(zhǔn)則設(shè)計的結(jié)構(gòu)，選擇材料應(yīng)本著材料性能與各設(shè)計指標(biāo)協(xié)調(diào)一致的原則，否則，可能會造成材料的某些指標(biāo)剛達(dá)到設(shè)計要求，而另一些指標(biāo)已大幅超出了設(shè)計所需，這樣不僅會造成材料某些性能指標(biāo)的浪費，而且會由于材料的“短板”指標(biāo)的限制使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增大。因此，首先要根據(jù)各設(shè)計準(zhǔn)則的偏重程度，即各設(shè)計準(zhǔn)則對應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)之比，根據(jù)疲勞強度比、靜韌強比或疲勞韌強比進(jìn)一步縮小備選材料的范圍。在縮小后的備選材料范圍內(nèi)，根據(jù)最偏重(最優(yōu)先保證)的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則，以其對應(yīng)的材料性能參數(shù)為準(zhǔn)進(jìn)行材料排序，性能指標(biāo)越大的材料越優(yōu)。

當(dāng)仍存在材料性能指標(biāo)沖突的情況(即有些指標(biāo)較好，而另一些指標(biāo)較差的情況)，可以參考文獻(xiàn)[2-6]方法，從多準(zhǔn)則決策的問題出發(fā)建立定量評判模型，優(yōu)選出最優(yōu)者或較優(yōu)者。

6) 結(jié)構(gòu)驗證與材料終選

根據(jù)材料排序，將性能指標(biāo)最靠前的材料作為初選材料，并驗證由此材料加工而成的結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計、制造與使用需求?？疾靸?nèi)容包括力學(xué)性能指標(biāo)，如靜強度、剛度、疲勞壽命、耐久性、損傷容限水平等；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)材料成本、結(jié)構(gòu)加工成本、結(jié)構(gòu)維護(hù)成本、材料供貨量等；加工難易程度指標(biāo)，如硬度、焊接要求、切削性能、熔煉工藝、熱處理工藝、表面工藝等；其他指標(biāo)，如抗腐蝕性要求、體積要求、結(jié)構(gòu)功能性要求等。

若經(jīng)過驗證的材料滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和使用要求，則此材料即為最終選材；否則，需要選擇材料序列中的下一材料繼續(xù)進(jìn)行驗證，直至滿足結(jié)構(gòu)需求；若出現(xiàn)沒有合適的材料滿足結(jié)構(gòu)要求的情況，則需要考慮將結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造或使用要求放寬，或者更改結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 應(yīng)用實例

以某小型民用飛機(jī)機(jī)翼大梁的選材過程為例對系列材料性能指標(biāo)的應(yīng)用方法進(jìn)行說明。

1) 明確選材的結(jié)構(gòu)對象

選材的結(jié)構(gòu)對象為某小型民用飛機(jī)的機(jī)翼大梁，機(jī)翼大梁是飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)之一，其發(fā)生斷裂失效或變形失效會直接影響飛機(jī)的飛行安全。

2) 確定結(jié)構(gòu)功能與設(shè)計要求

機(jī)翼大梁的作用一是承力作用，其承受機(jī)翼各部件傳來的氣動載荷以及機(jī)翼油箱的自重；二是傳力作用，將所受載荷傳遞給機(jī)身，在飛機(jī)起飛時給機(jī)身提供向上的升力(拉力)，在飛機(jī)停放時給機(jī)身傳遞向下的壓力以及相應(yīng)的彎(扭)矩；三是保持機(jī)翼的氣動外形，使機(jī)翼的變形維持在一定的范圍內(nèi)，以保證不發(fā)生氣動失效。

此機(jī)翼大梁經(jīng)整體銑切制成，對材料的供應(yīng)尺寸有具體要求，要求原材料截面至少不小于200 mm×60 mm，長度不小于4 m。

機(jī)翼大梁的工作溫度區(qū)間為-55 ～ 80 ℃。在飛機(jī)投入使用后，由飛機(jī)的制造商根據(jù)飛機(jī)的飛行小時數(shù)定期進(jìn)行檢查修理。

3) 確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則

由于直接影響飛行安全，機(jī)翼大梁設(shè)計為破損安全結(jié)構(gòu)，即采用損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則；從經(jīng)濟(jì)修理的角度出發(fā)，由于拆解更換成本過高，機(jī)翼大梁同時采用耐久性設(shè)計準(zhǔn)則；此外，機(jī)翼大梁的設(shè)計同時要滿足靜強度和剛度要求。

4) 確定備選材料范圍

作為飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，從材料的力學(xué)性能方面考慮，備選材料分為4類，分別是鋼、鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料。

從使用經(jīng)濟(jì)性與保證材料性能的角度出發(fā)，根據(jù)設(shè)計草圖，通過受力分析與質(zhì)量評估，要求材料的比靜強度大于0.16 N·m·kg-1，比剛度大于23 N·m·kg-1，比疲勞強度大于0.05 N·m·kg-1，比靜韌度大于0.012 N·m3/2·kg-1，比動韌度大于0.000 7 N·m3/2·kg-1。

由于滿足結(jié)構(gòu)靜強度要求的鋼材為高強度鋼，而高強度鋼對應(yīng)力集中敏感，破損安全性差，比靜韌度均小于0.012 N·m3/2·kg-1，不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，將鋼材剔除；鈦合金與復(fù)合材料的性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求，但其材料成本過高，大大超過預(yù)算，將其剔除。因此，此飛機(jī)機(jī)翼大梁結(jié)構(gòu)的材料初選范圍是鋁合金。

在所有的航空用鋁合金范圍內(nèi)，由于鑄造鋁合金、變形鋁合金中的非熱處理型合金、以及變形鋁合金中熱處理型合金的6000系鋁-鎂-硅合金和8000系鋁合金的某些力學(xué)性能相對一般，不適合作為飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，因此將其剔除。在第2輪篩選后，此飛機(jī)機(jī)翼大梁結(jié)構(gòu)的材料備選范圍進(jìn)一步縮小至2000系鋁-銅硬鋁合金和7000系鋁-鋅-鎂-銅超硬鋁合金。

在2000系鋁-銅硬鋁合金、7000系鋁-鋅-鎂-銅超硬鋁合金中，由于2A01、2A10、2B16等材料抗剪強度較大；2A02、2A16、2A70、2014、2618A等材料在高溫下力學(xué)性能較好；2A14等材料在低溫下力學(xué)性能較好；2A50、2B50等材料熱加工性能較好；2A11等材料焊接性能較好；7A33等材料耐腐蝕性能較好，這些材料的設(shè)計主要是為了滿足結(jié)構(gòu)的特殊需求的，而其綜合力學(xué)性能指標(biāo)相對一般，也不適合作為飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)，因此將其剔除。此外，又由于2014、2124、2524、7050等材料的供貨量不足或供貨尺寸不能滿足機(jī)翼大梁的加工要求，也將其剔除。

在經(jīng)過3輪篩選后，最后確定的結(jié)構(gòu)選材范圍是：2A12、2024、7A04、7A09、7075和7475，其對應(yīng)尺寸下的供貨狀態(tài)分別是T4、T3510、T6、T73、T73510和T7351。

5) 進(jìn)行材料對比并排序

幾種備選材料的性能指標(biāo)如表2所示。

由于機(jī)翼大梁是根據(jù)損傷容限準(zhǔn)則和耐久性準(zhǔn)則設(shè)計的，并且需要滿足靜強度與剛度要求。因此，應(yīng)主要根據(jù)比靜韌度、比動韌度和比疲勞強度這3個指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行材料的排序，并驗證是否滿足比靜強度和比剛度要求。

可以看出，表2列出的幾種材料除2A12-T4鋁合金在比疲勞強度上不能滿足設(shè)計指標(biāo)要求外，其他材料均滿足設(shè)計要求。7475-T7351在比靜韌度、比動韌度、比疲勞強度、疲勞強度比、靜韌強比和疲勞韌強比這6個指標(biāo)上均為最優(yōu)。次之的7A04-T6、7A09-T73和7075-T73510這3種材料相比，7075-T73510的比疲勞強度值最高，而7A09-T73的比靜韌度和比動韌度值最高，由于機(jī)翼大梁關(guān)乎飛行安全，更偏重于損傷容限設(shè)計準(zhǔn)則，因此，疲勞韌強比更高的7A09-T73排序第2；雖然7A04-T6的比動韌度值比7075-T73510更高，但高出不多，且7A04-T6在比疲勞強度值上比7075-T73510相差太遠(yuǎn)，若制成飛機(jī)結(jié)構(gòu)其耐久性壽命會取得較短，影響使用經(jīng)濟(jì)性，因此，7075-T73510材料排序第3。剩余排序為7A04-T6和2024-T3510。

表2 幾種備選材料的性能指標(biāo)值Table 2 Property index values of alternative materials

6) 結(jié)構(gòu)驗證與材料終選

7475鋁合金是鋁-鋅-鎂-銅系熱處理強化鋁合金，其抗腐蝕性能與7075鋁合金相當(dāng)，且T7351狀態(tài)與其他狀態(tài)相比，耐剝蝕與應(yīng)力腐蝕的性能更高，其應(yīng)力腐蝕斷裂韌度為25.7 MPa·m1/2，在耐腐蝕性能上滿足設(shè)計要求。該材料具有良好的工藝塑性和超塑性，具有較好的成型性能，滿足加工工藝和結(jié)構(gòu)維修的要求。該材料在低溫下(-55 ℃)的各項材料性能指標(biāo)下降不大；且可以保證在最大工作溫度(80 ℃)下的長時間服役，滿足不同環(huán)境溫度下的結(jié)構(gòu)考核指標(biāo)。因此，可以選取7475-T7351作為此機(jī)翼大梁的選材。

若從材料經(jīng)濟(jì)成本和供貨量的角度出發(fā)，材料排序第2的7A09-T73鋁合金更具優(yōu)勢，且7A09-T73的各項材料性能均較大幅度的超過了設(shè)計要求；加之7A09-T73的比疲勞強度與7475-T7351相差不大，靜韌強比和疲勞韌強比的排序也很靠前，因此，如果要降低飛機(jī)的制造成本，也可以考慮選取7A09-T73作為此機(jī)翼大梁的選材。

在確定最終選材前，仍需根據(jù)具體材料開展有限元分析和關(guān)鍵部位強度試驗，當(dāng)結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)通過驗證后即可作出材料的終選決定。

4 結(jié) 論

1) 在材料比強度、比剛度的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，提出了材料比疲勞強度、比靜韌度、比動韌度、疲勞強度比、靜韌強比、疲勞韌強比共6個材料性能指標(biāo)的概念與計算方法，并闡述了各材料性能指標(biāo)的實際含義。

2) 給出了一種具體的飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材方法，即考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、使用要求，通過條件篩選縮小備選材料范圍，依據(jù)系列材料性能指標(biāo)進(jìn)行材料對比排序，并通過結(jié)構(gòu)驗證確定最終選材。

3) 以某小型民用飛機(jī)機(jī)翼大梁的選材過程給出了系列材料性能指標(biāo)的應(yīng)用實例，對比分析結(jié)果表明，7475-T7351鋁合金或7A09-T73鋁合金材料是較為合適的結(jié)構(gòu)選材。

[1] SAPUAN S M. A knowledge-based system for materials selection in mechanical engineering design[J]. Materials and Design, 2001, 22(8): 687-695.

[2] MANSHADI B D, MAHMUDI H, ABEDIAN A, et al. A novel method for materials selection in mechanical design: Combination of non-linear normalization and a modified digital logic method[J]. Materials and Design, 2007, 28(1): 8-15.

[3] JAHAN A, ISMAIL M Y, MUSTAPHA F, et al. Material selection based on ordinal data[J]. Materials and Design, 2010, 31(7): 3180-3187.

[4] CHATTERJEE P, ATHAWALE V M, CHAKRABORTY S. Materials selection using complex proportional assessment and evaluation of mixed data methods[J]. Materials and Design, 2011, 32(2): 851-860.

[5] CHATTERJEE P, CHAKRABORTY S. Materials selection using preferential ranking methods[J]. Materials and Design, 2012, 35(3): 384-393.

[6] JAHAN A, EDWARDS K L. A state-of-the-art survey on the influence of normalization techniques in ranking: Improving the materials selection process in engineering design[J]. Materials and Design, 2015, 65(1): 335-342.

[7] KESTEREN I E H. Product designers’ information needs in materials selection[J]. Materials and Design, 2008, 29(1): 133-145.

[8] MIZUND D, SUZUKI S, FUJITA S, et al. Corrosion monitoring and materials selection for automotive environments by using Atmospheric Corrosion Monitor (ACM) sensor[J]. Corrosion Science, 2014, 83(6): 217-225.

[9] COOPER D, DAVIS F A, WOOD R J K. Selection of wear resistant materials for the petrochemical industry[J]. Journal of Physics D-Applied Physics, 1992, 25(1): 195-204.

[10] TAWANCY H M, UI-HAMID A, MOHAMMED A, et al. Effect of materials selection and design on the performance of an engineering product-An example from petrochemical industry[J]. Materials and Design, 2007, 28(2): 686-703.

[11] CHERNOBAEVA A, SHTEROMBAH J, KRJUKOV A, et al. Material characterisation and selection for the international research project “primavera”[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2007, 84(3): 151-158.

[12] ASAYAMA T, KAWASAKI N, MORISHITA M, et al. Balancing material selection and inspection requirements in structural design of fast breeder reactors based on “system based code” concept[J]. Nuclear Engineering and Design, 2008, 238(2): 417-422.

[13] LIN H, FREEMAN B D. Materials selection guidelines for membranes that remove CO2from gas mixtures[J]. Journal of Molecular Structure, 2005, 739(4): 57-74.

[14] HUDA Z, EDI P. Materials selection in design of structures and engines of supersonic aircrafts: A review[J]. Materials and Design, 2013, 46(4): 552-560.

[15] 吳云書. 材料的比強度和比剛度[J]. 宇航學(xué)報, 1985, 6(3): 80-85.

WU Y S. The specific strength and specific stiffness of materials[J]. Journal of Astronautics, 1985, 6(3): 80-85 (in Chinese).

[16] 周鐵城. 機(jī)械設(shè)計選材與強度剛度評估[J]. 機(jī)械工程材料, 1996, 20(4): 40-42.

ZHOU T C. A choice of material and prediction of its strength and stiffness in machine design[J]. Materials for Mechanical Engineering, 1996, 20(4): 40-42 (in Chinese).

[17] 何宇廷, 張騰, 高潮, 等. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命控制技術(shù)淺析[C]//第十七屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會議論文集. 桂林: 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會, 2014: 227.

HE Y T, ZHANG T, GAO C, et al. A brief analysis of aircraft structural life control technology[C]//17th National Symposium of Fatigue and Fracture. Guilin: Chinese Society for Corrosion and Protection, 2014: 227 (in Chinese).

張騰男， 博士， 工程師。主要研究方向： 飛機(jī)結(jié)構(gòu)強度與使用壽命。

E-mail: zt_gm@126.com

何宇廷男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 飛機(jī)結(jié)構(gòu)強度與使用壽命。

Tel.: 029-84787082

E-mail: heyut666@126.com

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1432.006.html

Seriesofmaterialpropertyindicesandtheirapplicationtomaterialsselectionforaircraftstructure

ZHANGTeng1, 2，HEYuting1,*，TANShen’gang3，WANGXinbo3，ZHANGSheng1

1.AeronauticsandAstronauticsEngineeringCollege,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China2. 94484Troops,Gaomi261500,China3.TheFirstAircraftInstitute,AviationIndustryCorporationofChina,Xi’an710089,China

Inordertoimprovetherationalityofmaterialsselectionforaircraftstructure,consideringfromtheviewpointofmaterialpropertyindices,conceptsandcalculationmethodsofspecificfatiguestrength,specificstatictoughness,specificdynamictoughness,fatiguestaticstrengthratio,toughnessstaticstrengthratioandtoughnessfatiguestrengthratioareputforwardapartfromthecommonparametersofthespecificstaticstrengthandthespecificstiffness.Amaterialsselectionmethodbasedontheseriesofmaterialpropertyindicesisestablished.Thismethodfirstlynarrowsthepossiblematerialsusableindesignbyconsideringthedesigncriteriaandactualin-servicerequirements,thenranksthecandidatesaccordingtotheseriesofmaterialpropertyindicesandchoosesthefinalmaterialthroughstructuralvalidation.Finally,amaterialselectionprocessforanaircraftwingsparisgivenasanexample.

aircraftstructure;materialselectionforanstructure;specificfatiguestrength;specificstatictoughness;specificdynamictoughness;fatiguestaticstrengthratio;toughnessstaticstrengthratio;toughnessfatiguestrengthratio

2015-10-12;Revised2015-10-23;Accepted2015-10-29;Publishedonline2015-11-021432

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51475470,51201182)

.Tel.:029-84787082E-mailheyut666@126.com

2015-10-12;退修日期2015-10-23;錄用日期2015-10-29；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2015-11-021432

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1432.006.html

國家自然科學(xué)基金 (51475470,51201182)

.Tel.:029-84787082E-mailheyut666@126.com

張騰, 何宇廷, 譚申剛, 等. 用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材的系列材料性能指標(biāo)及其應(yīng)用J. 航空學(xué)報,2016,37(10):3170-3177.ZHANGT,HEYT,TANSG,etal.SeriesofmaterialpropertyindicesandtheirapplicationtomaterialsselectionforaircraftstructureJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(10):3170-3177.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0291

V222; V250.3

A

1000-6893(2016)10-3170-08