某飛機(jī)前錐梁腹板裂紋的結(jié)構(gòu)修理

某飛機(jī)前錐梁腹板裂紋的結(jié)構(gòu)修理

對(duì)于某小型活塞飛機(jī)，飛行小時(shí)超過10000以后，接連發(fā)生幾起機(jī)頭左錐梁的腹板裂紋的結(jié)構(gòu)故障，裂紋可長(zhǎng)達(dá)15mm，位于前起落架可折撐桿安裝支板后下部螺栓孔處，如圖1所示。

該型飛機(jī)為全金屬半硬殼式機(jī)身結(jié)構(gòu)，機(jī)頭錐梁是重要的承力結(jié)構(gòu)件，梁緣條承受機(jī)身彎曲時(shí)所產(chǎn)生的拉力和壓力及起落架的集中載荷，錐梁腹板由薄板制成，主要承受剪力。梁腹板裂紋嚴(yán)重影響機(jī)身結(jié)構(gòu)安全，為了盡快恢復(fù)損傷飛機(jī)的適航，采用合理有效的結(jié)構(gòu)修理方式至關(guān)重要。本文提出了一種對(duì)腹板加強(qiáng)襯補(bǔ)的修理方式，可供通航單位進(jìn)行探討與選擇。

本文介紹結(jié)構(gòu)修理方案設(shè)計(jì)的相關(guān)準(zhǔn)則，并依此進(jìn)行各結(jié)構(gòu)修理參數(shù)的確定，提出錐梁腹板裂紋修復(fù)方案。

加強(qiáng)修補(bǔ)形式

在氣動(dòng)力敏感區(qū)域，盡量采用內(nèi)部補(bǔ)貼修理或表面鑲平修理；在機(jī)翼、尾翼的前緣部位，靜壓口和迎角傳感器附加區(qū)域，采用表面鑲平修理或者內(nèi)部補(bǔ)貼修理形式。否則會(huì)增加飛行阻力影響氣動(dòng)外形。當(dāng)損傷涉及多個(gè)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)采用分別加補(bǔ)的修理方案；如果采用切割修理，各構(gòu)件不應(yīng)該在同一位置切割，這樣可以降低硬點(diǎn)效應(yīng)。當(dāng)長(zhǎng)桁或緣條存在裂紋損傷時(shí)，通常采用消除裂紋的挖補(bǔ)或者切割修補(bǔ)形式。對(duì)于蒙皮或腹板結(jié)構(gòu)的裂紋損傷，最好采用挖補(bǔ)修理。

針對(duì)本案例中較長(zhǎng)的腹板裂紋，不能采用鉆止裂孔的方式，故采用切割挖補(bǔ)修理的方式消除裂紋，因腹板上安裝的前起落架可折撐桿安裝支板用于安裝前起落架，修理方式不能變更起落架的安裝位置，所以必須采用內(nèi)部補(bǔ)貼的結(jié)構(gòu)修理方式。

圖1　某小型飛機(jī)前錐梁腹板裂紋的結(jié)構(gòu)修理方法探討

加強(qiáng)件的厚度

修理蒙皮時(shí)，盡可能將修理加強(qiáng)件材料厚度限制在比損傷件結(jié)構(gòu)材料的厚度厚一級(jí)或二級(jí)；而修理薄壁桿件（如長(zhǎng)桁、緣條等）時(shí)，如原結(jié)構(gòu)件為鋁銅合金（如2024-T3擠壓型材），則補(bǔ)強(qiáng)件的厚度應(yīng)加大25%；如果是鋁鋅合金（如7075-T6擠壓型材），則補(bǔ)強(qiáng)件厚度應(yīng)該加大35%。這樣可以降低硬點(diǎn)效應(yīng)以提高修理區(qū)域結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。不應(yīng)該過分加強(qiáng)修理區(qū)，不是加補(bǔ)的厚度約厚約好，否則會(huì)使其成為過硬區(qū)，增加其所受應(yīng)力水平，進(jìn)而降低該區(qū)域的耐久性，即會(huì)明顯降低修理區(qū)域的疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)證明，若原板厚度為0.036 in，加強(qiáng)件厚度為0.04 in，相當(dāng)壽命為1，則將加強(qiáng)件厚度增加到0.072 in之后，相對(duì)壽命為0.65，疲勞壽命降低了35%。

對(duì)于本案例中的輕型鋁合金結(jié)構(gòu)飛機(jī)，通常采取和損傷腹板相同厚度的鋁合金制作補(bǔ)片。

加強(qiáng)件的材料

盡量采用與原損傷件材料相同的加強(qiáng)修補(bǔ)件。外補(bǔ)修理盡可能使用與原結(jié)構(gòu)件材料和熱處理狀態(tài)相同的鋁合金加強(qiáng)件，最好不要使用材料為鋼的加強(qiáng)件。選用鋁合金加強(qiáng)件不僅可以選擇從外部進(jìn)行低頻渦流檢查，還可以避免不同類材料接觸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)電化腐蝕。

對(duì)于本案例，選用和原梁腹板相同材料的鋁合金制作補(bǔ)片。

補(bǔ)片的形狀和尺寸

補(bǔ)片的形狀應(yīng)該根據(jù)被加強(qiáng)件的形狀確定，一般采用四角形補(bǔ)片和圓形補(bǔ)片。要注意不要使補(bǔ)片的形狀太特殊，補(bǔ)片形狀發(fā)生變化處，要有足夠的圓角半徑。

圖2　緊固件排列不當(dāng)導(dǎo)致的靜強(qiáng)度失效

圖3　錐梁腹板切割位置示意圖

圖4　錐梁腹板修理示意圖

緊固件的邊距和間距

在補(bǔ)片上排列緊固件時(shí)，要考慮到其邊距和間距要求，避免與緊固件間距和邊距相關(guān)的結(jié)構(gòu)件靜強(qiáng)度失效。與緊固件間距和邊距相關(guān)的結(jié)構(gòu)件靜強(qiáng)度失效模式有結(jié)構(gòu)件拉伸失效、結(jié)構(gòu)件剪切失效以及結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)。由于緊固件孔的應(yīng)力集中效應(yīng)，緊固件間距和邊距還嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。因此，正確的緊固件邊距和間距是防止結(jié)構(gòu)疲勞破壞和靜強(qiáng)度破壞的關(guān)鍵。

在修理中，需要在補(bǔ)片連接結(jié)構(gòu)上增加緊固件。必須保證新增加的緊固件孔之間以及與原緊固件孔之間的邊距和間距合適。一般情況下，保證緊固件4D到6D的間距和2D到2.5D的邊距可以滿足結(jié)構(gòu)修理靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的要求。但是在實(shí)際的結(jié)構(gòu)修理中，由于原結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度和寬度限制，可能不能滿足4D到6D的間距和2D到2.5D的邊距要求。為了降低結(jié)構(gòu)修理的成本并保證結(jié)構(gòu)修理的安全，可以根據(jù)實(shí)際情況以及結(jié)構(gòu)修理緊固件孔間距和邊距的原則要求排列補(bǔ)片上要安裝的緊固件，此時(shí)的緊固件間距和邊距要求可以參照下面的方法確定：

確定最大間距

緊固件有兩種排列方式：交錯(cuò)排列和平行排列。交錯(cuò)排列一般用于需要進(jìn)行液體或者氣體密封的結(jié)構(gòu)，例如油糟邊界結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橛驮忝芊饽z在飛機(jī)巡航高度對(duì)應(yīng)的低溫氣候環(huán)境中的彈性會(huì)大大降低，需要用緊固件的交錯(cuò)排列來增加油箱的密封性能。交錯(cuò)排列與平行排列方式對(duì)應(yīng)的緊固件最大間距不同。一般來說，交錯(cuò)排列的列距以及平行排列的列距最大不能超過6D。對(duì)于鉚釘來說，交錯(cuò)排列的行距不能超過3.5D。對(duì)于鋼或者鈦合金HI-LOK或者其他螺桿，交錯(cuò)排列的行距不能超過4.5D。

確定最小間距

緊固件最小間距分為最小行距和最小列距.緊固件的列距小于極限最小值后，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)修理的結(jié)構(gòu)件拉伸失效。緊固件的列距過小還會(huì)降低修理區(qū)域結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。緊固件孔之間的行距小于要求的最小行距時(shí)，緊固件孔之間的結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生剪切失效。對(duì)于平行排列的緊固件，最小行距Lmin可以按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

Lmin=P/（2σ）+0.766D

式中，σ是結(jié)構(gòu)材料剪切極限強(qiáng)度；Lmin是最小行距；D是緊固件孔平均直徑；P是單顆緊固件連接強(qiáng)度。

一般來說，對(duì)于平行排列的緊固件，如果行距不小于3D，可以避免結(jié)構(gòu)緊固件孔之間的剪切失效，對(duì)于交錯(cuò)排列的緊固件，最小行距等于2D。

確定邊距

緊固件邊距指緊固件孔到結(jié)構(gòu)件邊緣的距離。緊固件邊距分為兩種：與載荷方向垂直的間距；與載荷方向平行的邊距。對(duì)于與載荷方向垂直的邊距，緊固件孔會(huì)在與載荷方向垂直的結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)榱吮苊鈶?yīng)力集中區(qū)域影響到結(jié)構(gòu)件邊緣的耐久性，對(duì)于疲勞敏感的結(jié)構(gòu)件，要求緊固件孔的最小邊距為2.5D。對(duì)于其他結(jié)構(gòu)要求，緊固件孔的最小邊距為2.0D。對(duì)于與載荷方向平行的最小邊距可以按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

Lmin=P/（2σ）+0.383D

式中，σ是結(jié)構(gòu)材料剪切極限強(qiáng)度；Lmin是最小邊距；D是緊固件孔平均直徑；P是單顆緊固件連接強(qiáng)度。

錐梁腹板裂紋修復(fù)方案

沿圖3所示切割線切割左錐梁腹板。對(duì)腹板切割處進(jìn)行防腐處理。

參照?qǐng)D4所示位置和尺寸切下的腹板裂紋片段，使用0.032inch厚的2024-T3 Alclad覆鋁鋁合金板按圖示位置和尺寸制作腹板補(bǔ)片和修理補(bǔ)片，并為補(bǔ)片導(dǎo)圓角，進(jìn)行防腐處理。

蘸取環(huán)氧脂底漆濕鉚接腹板補(bǔ)片和補(bǔ)片，使用與原鉚釘相同型號(hào)和大小的鉚釘鉚接舊孔，使用MS20470AD4鉚釘鉚接新鉚釘孔。使用與原鉚釘同型號(hào)同大小的鉚釘鉚接艙門扭力管左側(cè)支架。確保新鉚釘?shù)拈g距、邊距符合標(biāo)準(zhǔn)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.013