損傷容限技術(shù)在整體壁板設(shè)計中的應(yīng)用

胡 斌 曹紅偉 石鵬飛 何紅芳 張 蕓

（中航工業(yè)股份有限公司 漢中飛機分公司，陜西 漢中723000）

0 引言

飛機結(jié)構(gòu)損傷容限/耐久性設(shè)計是為滿足長壽命、 高可靠性和可檢性要求發(fā)展起來的綜合技術(shù)，是飛機結(jié)構(gòu)長壽命、高可靠性、低維修成本的重要保證。損傷容限作為疲勞損傷、機械損傷、意外損傷和離散源損傷的安全性問題的基本設(shè)計準則，意圖是通過設(shè)計、工藝及質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)檢查維修，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)潛力，避免飛機在整個使用壽命期內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性結(jié)構(gòu)破壞，全面滿足各項規(guī)范、機體結(jié)構(gòu)總壽命和檢修周期的要求。

1 損傷的分類

飛機結(jié)構(gòu)中的損傷或缺陷可以分為兩類：

1）來自加工制造、裝配工藝等過程中造成的損傷，以及使用過程中各種腐蝕環(huán)境、疲勞載荷和離散載荷造成的損傷。 這類損傷主要集中于結(jié)構(gòu)表面。損傷容限設(shè)計主要是針對這類損傷通過損傷容限評定來確保結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的安全。

2）另一類是由于冶金、鍛造等材料生產(chǎn)過程中造成的。 這一類損傷多出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，只能通過定期的多次損傷檢查和監(jiān)控并及時修理來確保結(jié)構(gòu)的安全。

結(jié)構(gòu)中存在的損傷在使用中都可能逐漸擴展，都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生災(zāi)難性破壞。 因此把整體壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計成能承受定量損傷，并能實施檢查維修計劃的的損傷容限結(jié)構(gòu)，是提高和確保飛機安全水平的有效途徑。

2 整體壁板的優(yōu)缺點

現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)普遍設(shè)置有整體壁板，優(yōu)點是采用整體壁板可以改善飛機性能，減輕結(jié)構(gòu)重量，減少制造裝配工作量。其缺點就是整體壁板出現(xiàn)裂紋時止裂性能比鉚接壁板差。

3 整體壁板的損傷容限設(shè)計

無論是鉚接式還是整體式結(jié)構(gòu)壁板， 壁板的連接都是關(guān)鍵問題，要改善結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，實現(xiàn)長壽命、高可靠性，應(yīng)根據(jù)壁板的使用環(huán)境選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和對接形式，采取降低設(shè)計應(yīng)力水平、防止應(yīng)力集中、選用過盈緊固件等方式，使整體壁板能夠達到預(yù)定的重量、經(jīng)濟、可靠性等指標。

為滿足損傷容限設(shè)計要求，機身整體壁板應(yīng)合理分塊。 壁板上的橫向、縱向加強筋、蒙皮、連接角材整體機加，拉彎成型、噴丸強化；壁板與壁板之間采用過渡搭接。

整體壁板的合理分塊能有效地提高整體壁板的止裂能力，符合傷容限設(shè)計要求。

4 整體壁板損傷容限設(shè)計中應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)

4.1 擘板設(shè)計

整體鼙板結(jié)構(gòu)形式的確定、壁板分塊、應(yīng)力控制，材料的選取，壁板數(shù)的控加工、壓彎成型、噴丸強化是整體壁板實際制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

整體壁板選用大型機加壁板，將橫向、縱向加強筋、蒙皮、連接角材設(shè)計為—個整體，減輕了結(jié)構(gòu)重量、增加結(jié)構(gòu)的使用壽命。

整體壁板相對鉚接壁板具有其獨特的優(yōu)點， 可大大提高結(jié)構(gòu)效率，降低結(jié)構(gòu)重量，保證結(jié)構(gòu)的完整性，改善壁板裝配的工藝性，減少制造裝配工序，減少連接件和零件數(shù)量。減少了連接件和零件數(shù)量，也就減少了飛機各部分連接處的應(yīng)力集中孔，減少了結(jié)構(gòu)中存在的疲勞源，減少產(chǎn)生裂紋的機會，從而提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命，保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，縮短制造周期，降低制造成本。但整體壁板結(jié)構(gòu)也存在壁板產(chǎn)生裂紋時止裂性能比鉚接壁板差的問題。 因此，在用整體壁板代替組合壁板時，要進行科學(xué)嚴謹?shù)目紤]與設(shè)計，要對整體壁板進行充分的疲勞和損傷容限計算、分析和試驗研究，充分了解和掌握整體壁板的裂紋擴展特性，同時還應(yīng)研究和制定出針對整體壁板的止裂方法，以確保飛機的使用安全。

4.2 過盈連接

過盈連接緊固件是整體壁板連接的主要形式，因其合適的干涉配合狀態(tài)，大大地提高了被連接件的疲勞壽命。

該方式滿足壁板連接要求，生產(chǎn)制造工藝簡單。另外，過盈密封連接螺栓使用專用的機械設(shè)備將螺栓拉入孔中，避免了普通標準件必須用手錘和鉚槍將其打入孔中，防止打擊螺栓頭根部R 區(qū)可能產(chǎn)生的疲勞裂紋。

大量采用過盈螺栓和過盈鉚釘連接，能延緩孔邊裂紋的出現(xiàn)。 為了提高飛機整體壁板的疲勞壽命， 提高連接件與連接孔之間的密封性，降低結(jié)構(gòu)重量，充分發(fā)揮新技術(shù)的優(yōu)勢和特點，就有必要使充分了解該技術(shù)的特點、設(shè)計方法和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，掌握過盈連接結(jié)構(gòu)的疲勞、損傷容限分析方法，連接件孔邊的應(yīng)力分布規(guī)律和計算方法，連接件孔強化機理、強化效果的評價、強化效果隨時間的變化規(guī)律以及過盈連接對整體壁板疲勞壽命和損傷容限特性影響。

5 總結(jié)

綜上所述，飛機整體壁板結(jié)構(gòu)應(yīng)用損傷容限設(shè)計要求，能有效提高飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全水平。

［1］載荷、強度、剛度.飛機設(shè)計手冊（第9 冊）[M].航空工業(yè)出版社.