航空航天港

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

航空航天港 首页 航空 航空科普 查看内容

飞机的金属疲劳

2012-7-18 14:03| 发布者: 潜艇4809| 查看: 6658| 评论: 0

摘要: 飞机工程师面临的最大的一个难题就是飞机零部件承受的周期性疲劳是越来越强的。没 有任何手段可以逆转这一过程。

    我们取出一个夹文件用的回形针,将其能弄直,随后用拇指和食指将这个回形针弯成直角,然后再在相反的方向将其弯成另一个直角,如此弯曲几十次,这个 回形针将断成两段。这就是典型的金属疲劳现象——只有用几磅的力气来反复弯折一个金属回形针,回形针将断为两段。如果我们要一次性拉断回形针,即固定一个 已经弄直到回形针的一端,在另一端用力拉,要用五十磅的力量才能将回形针拉断。

    早在十九世纪四十年代,铁路工程师就注意到了逆向应力作用会导致火车事故;在当时,火车和铁路在欧洲和美国被大规模采用,火车车轴的断裂造成了大量的事故。 当火车开动时,火车车轴在水平面做旋转运动,承受垂直载荷;早期的火车车轴每旋转一圈,火车车轴的外表面就承受一次严重的逆向应力。威廉姆 兰金这位被现在我们称为是热动力学理论之父的科学家,在当时是苏格兰一名火车工程师,他向人们第一次展示了这些不断重复出现的逆向应力是如何扩大车轴上的 裂纹的。在十九世纪五十年代,蒸汽机工程师先驱杰姆 布莱泽怀特使用“金属疲劳”这个概念来描述这一现象。

    在 “金属疲劳”这一概念被吉姆提出一个多世纪后,现在金属疲劳现象又一次被人们重新研究,这不能不说是一个讽刺。这一次的研究主体是飞机制造厂商,他们被金 属疲劳现象困扰很久了。金属疲劳现象第一次带给飞机制造厂商麻烦实在二十世纪五十年代,当时飞机制造厂商为了让他们的客机飞得更高,必须将飞机机舱密封起 来。在1954年,哈维兰公司的两架彗星客机在空中神秘地解体,彗星客机是当时最先进的商务飞机。尽管彗星客机的解体只影响到了哈维兰公司的业务,没有对 飞机制造业产生大的影响,但该事件让飞机制造厂商知道了到了金属疲劳现象是如何在瞬间将飞机时撕裂成几段;同时飞机制造厂商也学会了如何避免将应力集中, 正是应力集中导致了飞机蒙皮的致命裂纹。

    就在几周前,飞机工程师才发现他们并没有完全了解金属疲劳——四月一日,西北航空公司812航班使用的波音737-300型客机在从凤凰城飞往萨克拉门托的 途中发现在机身的上半部有一个五英尺的裂纹,不得不紧急迫降。但不论是飞机工程师还是安全官员都弄不清楚是什么造成了这个飞机机身上的五英尺裂纹。

    但无论怎样,这个裂纹是绝对不能够出现的。众所周知,飞机的每一次起降都是一轮承受严重逆向应力的过程。同我们先前提到的回形针一样,在飞机向巡航高度爬升 并对机舱加压这一过程时,飞机的机身和蒙皮承受了一个方向的应力,当飞机下降并对机舱减压时,飞机的机身和蒙皮在另一个方向承受了应力。西北航空公司是设 在达拉斯的廉价航空公司,该公司一架短途飞机在一天内得飞行六个架次,且全年如此。

    在上文中提到的迫降的波音737-300客机已经飞行了十五年了,当它的蒙皮被发现沿着一个铆钉的搭接触处被撕开时,它正载着118名乘客在34000英尺 (一万米)高空飞行。由于机身的蒙皮被撕开后,机舱内的空气压力一下就丧失了,乘客们只得依靠氧气面罩来呼吸,所幸飞行员在随后的几分钟内将飞机降到了 11000英尺的高度,乘客才能正常呼吸;随后该飞机在一个军用机场降落,经检查,飞机没有进一步变形及造成严重损害。

    十 五年的飞行时间对波音737-300飞机而言是一个不短的时间,但作为一架商业飞机,波音737-300飞机应该是处于良好状态。问题就在于西北航空公司 使用飞机的频率过高,特别是转场飞行的次数太多。出现裂纹的波音737-300飞机已经飞行了近四万架次了,而在正常情况下,这种飞机十五年的飞行架次一 般是三万多一点。

    在过去几年,波音公司收集了大量关于飞机机身疲劳寿命的数据,在 这方面,可能其他任何一家飞机制造厂商都比不上波音。波音公司在处理了一些早期金属疲劳的故障后,对机顶的铆钉搭接处进行了改善;波音公司信心满满地宣布 老式的波音737型飞机可以飞行六万架次而无需检测毛细裂纹。毛细裂纹恰恰就是导致飞机金属疲劳的元凶。正是受到了西北航空公司737-300飞机迫降的 警示,美国联邦航空管理局要求与该飞机有一样搭接设计的波音737型飞机在飞满三万个架次后必须进行检测,对于那些已经飞满三万五千个架次的波音737型 飞机,美国联邦航空管理局要求对其立即检测。

    是 什么导致了飞机的金属疲劳?原因可谓是多种多样——与在实验室进行的标准测试不同,飞机在飞行时会承受一系列随机发生的复杂静态和周期性变化压力。飞机材 料的杂质会影响飞机的疲劳寿命,材料的硬度和表面状态同样也影响着飞机的疲劳寿命,此外飞机材料在生产时的热处理、飞机飞行时的外部温度、飞机零部件的外 形都是影响飞机疲劳寿命的因素。飞机的凹槽和尖角是最容易产生应力集中和裂纹的位置,早期的彗星飞机的窗户是方形的,调查发现正是这种方形窗口导致了彗星 飞机的解体,因此在此之后,所有客机的窗户都采用圆角过度的方式。

所 有的飞机都会遵循这一规律:飞行架次越多,离飞机解体的时间就越近。随着飞机耐受应力的级别越来越低,飞机零部件就会接近到一个使用寿命的临界点,一旦过 了这个临界点,零件将会裂开。按照惯例,人们将承受十万次逆反应力的能力视为零部件的“疲劳极限”。不幸的是,疲劳极限不能完整体现飞机零部件的性能,也 没有参考价值,人们发现对完全一样的两个样本进行测试,得到的结果却完全不一样。

    从 承受逆向应力的角度来说,钢材是制造飞机的绝好材料,但从重量上来说,钢材太重了,不是合格的飞机制造材料。合金钢在周期性应力作用下,只要没有达到疲劳 极限,他就不会产生金属疲劳;而铝合金这恰恰相反。铝合金由于有强度和重量上的优势,被大量用于制造飞机的材料。人人都知道,飞机总有一天会因为铝合金的 金属疲劳而解体。如何找到铝合金制飞机安全飞行的要点?这真是飞机工程师的工作重点之一。

    那 么飞机工程师是如何做到的呢?首先他们在实验室里进行了数千次金属疲劳测试,目的就是为了寻找到一个可行的方法。随后,尽量保证飞机在低于测试极限条件的 现实环境中飞行。第三,飞机工程师要考虑材料自身的变化因素。飞机工程师做这些工作的目的就是为了保证飞机的飞行寿命能达到设计要求。

    波音公司随后发现,设定上述目标容易,要达到目标却很难。这真是令人沮丧。飞机工程师面临的最大的一个难题就是飞机零部件承受的周期性疲劳是越来越强的。没 有任何手段可以逆转这一过程。当一个理工科的学生在一个西班牙是飞机制造车间耗费了一个夏天进行材料裂纹试验,将测试合格的零部件做好标记并放入仓库备 用。这个学生还有其他人都不知道这些测试合格的零部件是可以承受一千次还是一万次应力作用。我们可以就此断言,不论波音如何对老态龙钟的737型飞机进行 翻新,在逆向应力的作用下,飞机机身的寿命都是有限的。

精品文章

内容充实

不敢苟同

保留意见

文笔太差

最新评论

QQ|申请友链|旗下论坛|小黑屋|手机版|航空航天港 ( 豫ICP备12024513号 )

GMT+8, 2017-11-23 22:51 , Processed in 0.201800 second(s), 19 queries , Gzip On.

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

返回顶部