民用飛機結構襯套修理及強度評估

鄭浩

摘 要：安裝襯套是民用飛機生產過程中一種常用的修理方法，用于修理民用飛機生產過程中緊固件孔偏離圖紙要求的問題。該文中依據長期的工程經驗，概述了襯套在民用飛機生產過程中的使用范圍，襯套的制作和安裝要求，安裝襯套后的靜強度和疲勞強度的工程評估方法，從而協助工程人員快速、準確地處理工程問題，使襯套修理方法滿足強度和結構功能的要求，從而滿足民用飛機的適航性要求。

關鍵詞：襯套 民用飛機 修理

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0097-04

Abstract： Bush is a frequently-used repairment method for fasten holes which don`t conform drawing requirements in civil aviation production. According to long engineering experience， we analyse the applied range of bushes， the requirements of bushes manufacture and assembly， and static and fatigue strength evaluating methods in this thesis. With the analysis we can assist engineers to solve the rejections rapidly and accurately， make sure stress and structural requirementsare satisfied by the method， and further more the airworthiness.

Key Words： Bush； Civil aviation； Repairment

襯套是民用飛機常用的結構之一。設計人員在進行飛機設計時，為了增加可更換的抗磨損表面，或提供具有較低摩擦力的摩擦面，會在活動接頭中考慮設計襯套。

同在飛機生產過程中，工程人員也會大量使用襯套。但是與設計人員的目的不同，工程人員使用襯套的唯一目的是修理超差孔，使之滿足圖紙上的容差要求。工程人員使用實心襯套堵住經過圓整的超差孔，然后穿過襯套安裝圖紙要求的緊固件，從這個意義上講，安裝襯套也是一種特殊形式的堵孔[1]。

1 襯套使用范圍

飛機生產過程中，由于工人操作失誤，零件多次拆裝，零件狀態與圖紙不協調或設計錯誤，都有可能導致孔徑超大，奇異孔，孔邊損傷，埋頭孔锪窩尺寸超大或裝配孔錯位等偏離圖紙要求的問題出現。工程人員為了處置該類問題，使飛機滿足功能、強度和適航的要求，通常會使用在偏離圖紙要求的孔內安裝實心襯套，然后在襯套內制孔安裝圖紙要求的緊固件的方法。

但是，考慮到具體部位的受力情況，通常在以下情況不使用襯套修理。

（1）緊固件孔短邊距（緊固件孔中心距離零件邊緣小于某一值，金屬材料上通常認為該值為2倍的緊固件孔直徑）時不能使用加襯套的方法來解決，因為加襯套不僅不會增加邊緣剩余材料，反而會進一步削弱構件，增加受拉時的應力集中。

（2）緊固件受拉部位不能使用襯套進行修理，襯套修理僅用于受剪緊固件連接部位。

2 襯套形式

民用飛機修理用襯套按其外形可分為柱狀、埋頭及臺階襯套，襯套外形示意圖如圖1所示。

柱狀襯套為最常用的襯套，若無特殊要求，修理一般使用柱狀襯套；當緊固件孔锪窩出現偏離時，也會使用埋頭襯套，考慮到埋頭襯套和孔的干涉等直段較小，在襯套中心制孔時，襯套容易在襯套孔中旋轉，可以使用密封劑濕安裝等方法解決該問題；當需要增加單側的阻擋，防止襯套脫落，可使用臺階襯套。

襯套材料必須與修理區域的結構材料相容，條件允許優先使用相同材料，保證二者力學性能相當，并避免電化學腐蝕。

3 襯套孔制孔要求

為了降低對強度的影響等，加襯套時需使去除的原結構材料最少（在保證襯套最小壁厚的前提下），圖2給出了部分典型偏離孔擴孔（安裝襯套）方法的示意。

方法1：緊固件在襯套上孔必須與原孔同心（例如其它零件上已制孔，所以無法移動孔位）；此時r

方法2：緊固件在襯套上孔必須與原孔同心（例如其它零件上已制孔，所以無法移動孔位）；此時，，一邊與偏離處相切。

方法3：緊固件在襯套上孔可重新定位（例如其它零件上孔未制孔或可借孔，或可以更換不帶孔的新零件）；此時，擴孔兩邊均與原孔相切；此時圓心（緊固件中心）可移動至O（襯套中心）或其周圍（O為圓心，半徑為的圓），襯套上孔可偏心。

方法4：緊固件在襯套上孔可重新定位（例如其它零件上孔未制孔或可借孔，或可以更換不帶孔的新零件）；此時，；此時圓心（緊固件中心）移動至O（襯套中心），襯套上孔不可偏心。

4 襯套制作和安裝方法

在制作襯套，確定襯套尺寸時，為了保證堵孔能夠降低應力集中系數，通常要保證襯套和基體材料的緊固件孔有足夠的干涉量，并且在襯套上制緊固件孔后，襯套上仍需有足夠的剩余厚度。為了使緊固件而非襯套承受多層零件之間的剪切載荷，當襯套穿過兩層或更多層結構時，應分層加襯套。由于襯套與襯套孔存在干涉量，襯套直徑大于孔徑，故安裝時須冷凍安裝；對于鋼材料襯套，不能使用液氮冷凍安裝，可使用干冰冷凍安裝。

5 襯套修理的靜強度評估方法

根據工程經驗，襯套修理對靜強度的影響主要體現在減少了原結構的承載面積，因此靜強度評估包括邊距、間距和端距影響評估，具體評估方法可用下面的公式快捷并偏保守地計算[1]。

5.1 邊距影響評估

根據圖3描述，修理襯套直徑為D，邊距為B，受載方向與短邊距相關邊緣平行，單緊固件載荷為PA，板材厚度T，材料拉伸極限值為FTU，材料旁路應力FB，凈邊距為C=B-0.5D，短邊距處拉伸破壞載荷PT：。

若PT大于PA，則襯套修理后，結構不會由于短邊距發生拉伸破壞，邊距滿足靜強度要求。

5.2 間距影響評估

根據圖4描述，修理襯套直徑為D，間距為S，受載方向與緊固件排列方向平行，單緊固件載荷為PA，板材厚度T，材料剪切極限值為FSU，釘間剪切破壞 PD：。

若PD大于PA，則襯套修理后，結構不會由于短間距發生剪切破壞，間距凈材料滿足靜強度要求。

5.3 端距影響評估

根據圖5描述，修理襯套直徑為D，端距為W，受載方向與短端距相關邊緣垂直短端，單緊固件載荷為PA，板材厚度T，材料剪切極限值為FSU，距處剪切破壞載荷PS：。

若PS大于PA，則襯套修理后，結構不會由于短端距發生剪切破壞，端距凈材料滿足靜強度要求。

6 襯套修理的疲勞強度評估方法

基于DFR法進行疲勞強度評估，襯套修理主要影響結構的DFR值。

關于典型制造偏離的襯套修理部位主要為有緊固件細節部位，結構連接部位襯套修理前的DFR值計算公式為[2]：

各個參數對結構疲勞強度影響不同，有利有弊，綜合分析可知：襯套孔徑的增大會減少孔擠壓應力；襯套高度直徑比的降低會減少剪切面上的尖端效應；安裝形式采用冷凍安裝可以避免孔壁損傷等；這些方面對結構疲勞強度有利。

襯套孔徑的增大，邊距、間距或者端距減小會加劇應力集中；襯套孔徑增大，孔邊接觸應力會降低；這些方面對結構疲勞強度不利。

現保守考慮，忽略有利因素，僅考慮兩項不利因素，因此，原DFR值可修正為：。其中K1為邊距、間距和端距修正系數；K2為試驗修正系數。

修正系數K1反映了應力集中的影響，邊距、間距和端距的修正系數分別如圖6、圖7和圖8所示[3]。

襯套試驗修正系數K2反映了孔邊接觸應力變化對結構疲勞強度的影響，根據試片級試驗數據得出結論，在襯套無短邊距情況下，襯套修理前后DFR值變化顯著，襯套修理后DFR試驗值相比襯套修理前DFR理論值降低15%，盡管試驗存在工藝不穩定等因素，仍保守認為襯套修理對原結構DFR值存在明顯不利影響，取試驗修正系數K2為0.85。

7 結語

襯套修理是民用飛機領域常使用的修理方法，該文概述了襯套在民用飛機生產過程中的使用范圍，襯套的制作和安裝要求，安裝襯套后的靜強度和疲勞強度的工程評估方法，能夠保證工程人員快速、規范地解決孔徑超大、奇異孔、孔邊損傷、埋頭孔锪窩尺寸超大或裝配孔錯位等偏離圖紙要求的問題，以滿足民用飛機的安全性和適航性要求。

參考文獻

[1] 中國航空工業總公司第640研究所.麥道飛機聯絡工程手冊[M].北京：航空工業出版社，1997：60-61，63-65.

[2] 《飛機設計手冊》總編委員會.飛機設計手冊-載荷、強度和剛度[M].航空工業出版社，2001：211.

[3] 《民機結構耐久性與損傷容限設計手冊》編委會.民機結構耐久性與損傷容限設計手冊（上冊）[M].北京：航空工業出版社. 2003：217-218.