塑性力学在航空制造业的应用和发展趋势
摘要：如今随着科学技术的不断进步，带动了许多学科的发展。航空制造业一直以来都是科技含量极高的行业之一，而对于现代航空飞行器来说，所提出的需求也越来越高。为了追求更高的飞行速度、更大的负载、更优的稳定性，积极的采用新技术、新材料，使飞机零部件质量越来越轻、结构型面越来越复杂、尺寸越来越大、制造精度越来越高。航空零部件除大量采用铝合金材料外，还广泛运用高强度钢、钛合金、耐高温合金、工程陶瓷和复合材料等。为了提高这些航空零部件的强度和可靠性，塑性力学便越来越多的用在了航空制造业中。本文探讨了塑性力学在航空制造中对航空飞行器可靠性评估的应用，并且对塑性力学在航空制造应用的发展趋势进行了讨论。
关键词：塑性力学，航空制造，可靠性，发展趋势
现代科学技术的迅速发展为航空制造业带来长足进步的同时，也带来了越来越大的挑战。为了满足航空飞行器对性能的要求，航空零件制造上必须对各种零件、部件做到更合理的设计。但是航空飞行器作为高精密器件，每提出一种新的生产工艺、设计方案，或者更换一种新型材料都会需要重新评估整个飞行器的安全可靠性。
对于飞行器的可靠性评估包含了许多方面，包括飞行器结构设计的合理性，判断飞行器能否承受相应速度下的阻力和载荷；而很多零件经过高强度运行，会出现疲劳失效的情况，所以还需要对材料的疲劳失效行为进行评估等。本文也主要从结构设计和疲劳失效这两个方向探讨塑性力学在航空制造业的应用，通过列举一些实际生产制造中的问题来探讨这些应用。并且从这些应用中找寻其发展规律，对未来的塑性力学应用发展趋势进行预测[1]。
1. 塑性力学对航空制造结构设计的应用
在航空航天制造的过程中，当设计出符合空气动力学等条件的飞行器后，需要选定材料，从而能制造出满足使用条件的零件和部件。例如在航空航天领域，飞行器往往需要承受冲击甚至爆炸作用，而在高强度的冲击爆炸作用时，会出现
高应变率甚至超高应变率的情况。为了分析这种情况下材料的性能，往往需要建立材料在高应变率下的本构模型，在通过静态压缩得到材料的应力-应变曲线之后，就可以得到材料的弹性模量等信息，利用得到的这些信息再带入到塑性力学公式之中就可以建立塑性力学的本构模型。具体的本构方程如下[2]： (1). 弹性阶段，即??(??????)<0，或??(??????)=0，df＜0。本构方程可以表示为两种相互变换的形式：用应力表示应变和用应变表示应力，即 其中Θ=????+????+????为体积应变，??和??为Lame常数。
11
????=[???????(????+????)]??????=??????
????11
()????=[???????????+????]??????=??????
????11????=[???????(????+????)]??????=??????
????和
????=????+2?????? ,??????=???????? ????=????+2?????? ,??????=???????? ????=????+2?????? ,??????=????????
(2). 塑性阶段，即??(??????)=0且df=0（强化材料），本构方程可以表示为增量或全量的两种形式。其中一种增量理论称之为Prandtl-Reuss 流动法则，如下列公式所示，主要适用于弹塑性材料[2]：
11
??????=????+???????? ,????????=????+??????????
2????2??????11
??????=??????+???????? ,????????=????????+??????????
2??2??11
??????=??????+???????? ,????????=????+??????????
2??2??????
1????=??????
????
其中????
=
??
3(1?2??)
称为体积模量，d??是一个与加载历史有关的大于零的比例系
数。此外还有另一种增量理论称为Levy-Mises流动法则，如下列公式所示，主
要适用于理想刚塑性材料
??????=???????? ,????????=?????????? ??????=???????? ,????????=?????????? ??????=???????? ,????????=??????????
以上两种增量理论主要用于非强化材料，对于强化材料则一般采用全量理论，即 Ilyushin 本构方程，表示如下[2]：
????3????
????=[???????(????+????)] ,??????=??
????????????????3????
????=[???????(????+????)] ,??????=??????
????????????3????
????=[???????(????+????)] ,??????=??
????????????
其中，σ=Φ(ε)满足单一曲线假定，即该函数代表的曲线与简单拉伸应力-应变关系曲线一致，其函数关系由材料拉伸试验确定。
2. 塑性力学对航空制造疲劳失效的应用
据美国曾经的一份调查报告显示，疲劳断裂所造成的损失就占到了其当年国内生产总产值的4%，其中遭受损失最严重的三个行业中就包括航空工业。航空器的安全不仅仅关系的是财产损失问题，更可能还涉及人的生命，航空安全必须引起人们的高度重视。由于疲劳失效问题的复杂性及随机性，对结构疲劳寿命的准确评估一直难以得到很好的解决。如果飞行时间较短即报废那么飞机的使用价值就会大打折扣造成很大浪费，如果飞行时间过长再报废又会使航空事故发生的几率大为提高，十分危险[3]。
长期以来，残余应力一直被视为结构疲劳寿命的主要影响因素之一，基于残余应力的疲劳特征及寿命研究一直是业界的热点话题。考虑到应力与疲劳寿命之间的紧密联系，基于应力改善的疲劳特性改善技术被广泛采用，其主要实现方法一般是通过一定手段在材料内部产生一定的残余压应力。一般来说，残余应力的常见研究方法主要有试验法、解析法以及有限元法等。由于操作容易可实现性强，
塑性力学在航空制造业的应用和发展趋势
