某飞机前锥梁腹板裂纹的结构修理

2016-10-18陈爽,刘世贵

中国科技信息 2016年18期

某飞机前锥梁腹板裂纹的结构修理

对于某小型活塞飞机，飞行小时超过10000以后，接连发生几起机头左锥梁的腹板裂纹的结构故障，裂纹可长达15mm，位于前起落架可折撑杆安装支板后下部螺栓孔处，如图1所示。

该型飞机为全金属半硬壳式机身结构，机头锥梁是重要的承力结构件，梁缘条承受机身弯曲时所产生的拉力和压力及起落架的集中载荷，锥梁腹板由薄板制成，主要承受剪力。梁腹板裂纹严重影响机身结构安全，为了尽快恢复损伤飞机的适航，采用合理有效的结构修理方式至关重要。本文提出了一种对腹板加强衬补的修理方式，可供通航单位进行探讨与选择。

本文介绍结构修理方案设计的相关准则，并依此进行各结构修理参数的确定，提出锥梁腹板裂纹修复方案。

加强修补形式

在气动力敏感区域，尽量采用内部补贴修理或表面镶平修理；在机翼、尾翼的前缘部位，静压口和迎角传感器附加区域，采用表面镶平修理或者内部补贴修理形式。否则会增加飞行阻力影响气动外形。当损伤涉及多个构件时，应采用分别加补的修理方案；如果采用切割修理，各构件不应该在同一位置切割，这样可以降低硬点效应。当长桁或缘条存在裂纹损伤时，通常采用消除裂纹的挖补或者切割修补形式。对于蒙皮或腹板结构的裂纹损伤，最好采用挖补修理。

针对本案例中较长的腹板裂纹，不能采用钻止裂孔的方式，故采用切割挖补修理的方式消除裂纹，因腹板上安装的前起落架可折撑杆安装支板用于安装前起落架，修理方式不能变更起落架的安装位置，所以必须采用内部补贴的结构修理方式。

图1　某小型飞机前锥梁腹板裂纹的结构修理方法探讨

加强件的厚度

修理蒙皮时，尽可能将修理加强件材料厚度限制在比损伤件结构材料的厚度厚一级或二级；而修理薄壁杆件（如长桁、缘条等）时，如原结构件为铝铜合金（如2024-T3挤压型材），则补强件的厚度应加大25%；如果是铝锌合金（如7075-T6挤压型材），则补强件厚度应该加大35%。这样可以降低硬点效应以提高修理区域结构的疲劳寿命。不应该过分加强修理区，不是加补的厚度约厚约好，否则会使其成为过硬区，增加其所受应力水平，进而降低该区域的耐久性，即会明显降低修理区域的疲劳强度。试验证明，若原板厚度为0.036 in，加强件厚度为0.04 in，相当寿命为1，则将加强件厚度增加到0.072 in之后，相对寿命为0.65，疲劳寿命降低了35%。

对于本案例中的轻型铝合金结构飞机，通常采取和损伤腹板相同厚度的铝合金制作补片。

加强件的材料

尽量采用与原损伤件材料相同的加强修补件。外补修理尽可能使用与原结构件材料和热处理状态相同的铝合金加强件，最好不要使用材料为钢的加强件。选用铝合金加强件不仅可以选择从外部进行低频涡流检查，还可以避免不同类材料接触导致结构电化腐蚀。

对于本案例，选用和原梁腹板相同材料的铝合金制作补片。

补片的形状和尺寸

补片的形状应该根据被加强件的形状确定，一般采用四角形补片和圆形补片。要注意不要使补片的形状太特殊，补片形状发生变化处，要有足够的圆角半径。

图2　紧固件排列不当导致的静强度失效

图3　锥梁腹板切割位置示意图

图4　锥梁腹板修理示意图

紧固件的边距和间距

在补片上排列紧固件时，要考虑到其边距和间距要求，避免与紧固件间距和边距相关的结构件静强度失效。与紧固件间距和边距相关的结构件静强度失效模式有结构件拉伸失效、结构件剪切失效以及结构件失稳。由于紧固件孔的应力集中效应，紧固件间距和边距还严重影响到结构件的疲劳寿命。因此，正确的紧固件边距和间距是防止结构疲劳破坏和静强度破坏的关键。

在修理中，需要在补片连接结构上增加紧固件。必须保证新增加的紧固件孔之间以及与原紧固件孔之间的边距和间距合适。一般情况下，保证紧固件4D到6D的间距和2D到2.5D的边距可以满足结构修理静强度和疲劳强度的要求。但是在实际的结构修理中，由于原结构件的长度和宽度限制，可能不能满足4D到6D的间距和2D到2.5D的边距要求。为了降低结构修理的成本并保证结构修理的安全，可以根据实际情况以及结构修理紧固件孔间距和边距的原则要求排列补片上要安装的紧固件，此时的紧固件间距和边距要求可以参照下面的方法确定：

确定最大间距

紧固件有两种排列方式：交错排列和平行排列。交错排列一般用于需要进行液体或者气体密封的结构，例如油糟边界结构。这是因为油糟密封胶在飞机巡航高度对应的低温气候环境中的弹性会大大降低，需要用紧固件的交错排列来增加油箱的密封性能。交错排列与平行排列方式对应的紧固件最大间距不同。一般来说，交错排列的列距以及平行排列的列距最大不能超过6D。对于铆钉来说，交错排列的行距不能超过3.5D。对于钢或者钛合金HI-LOK或者其他螺杆，交错排列的行距不能超过4.5D。

确定最小间距

紧固件最小间距分为最小行距和最小列距.紧固件的列距小于极限最小值后，会导致结构修理的结构件拉伸失效。紧固件的列距过小还会降低修理区域结构的疲劳寿命。紧固件孔之间的行距小于要求的最小行距时，紧固件孔之间的结构件会发生剪切失效。对于平行排列的紧固件，最小行距Lmin可以按下列公式进行计算：

Lmin=P/（2σ）+0.766D

式中，σ是结构材料剪切极限强度；Lmin是最小行距；D是紧固件孔平均直径；P是单颗紧固件连接强度。

一般来说，对于平行排列的紧固件，如果行距不小于3D，可以避免结构紧固件孔之间的剪切失效，对于交错排列的紧固件，最小行距等于2D。

确定边距

紧固件边距指紧固件孔到结构件边缘的距离。紧固件边距分为两种：与载荷方向垂直的间距；与载荷方向平行的边距。对于与载荷方向垂直的边距，紧固件孔会在与载荷方向垂直的结构件中产生应力集中区域为了避免应力集中区域影响到结构件边缘的耐久性，对于疲劳敏感的结构件，要求紧固件孔的最小边距为2.5D。对于其他结构要求，紧固件孔的最小边距为2.0D。对于与载荷方向平行的最小边距可以按照下列公式进行计算：

Lmin=P/（2σ）+0.383D

式中，σ是结构材料剪切极限强度；Lmin是最小边距；D是紧固件孔平均直径；P是单颗紧固件连接强度。