某型號民用飛機垂直安定面裝配短邊距的評估方法

鄭浩

摘 要：短邊距是民用飛機制造過程中出現的一種典型的裝配偏離。該文以某型號民用飛機垂直安定面肋和蒙皮裝配過程中出現的短邊距偏離為例，對其結構形式進行了分析，并從靜強度、疲勞強度和損傷容限3個方面對其進行了強度分析，并根據強度分析結果判斷其對客戶影響。該案例完整描述了短邊距偏離的工程分析過程，能夠協助工程人員快速、準確的處理該類問題，并滿足民用飛機的安全性和適航性要求。

關鍵詞：短邊距 損傷容限 客戶影響

中圖分類號：V217 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0021-04

Abstract：Short edge distance is a typical assembly rejection during civil aviation production. In this thesis we take a short edge distance of a rib and skin in vertical stabilizer for example and evaluate the structure， static strength， fatigue strength， damage tolerance and customer influence of this example. The engineering evaluating of this short edge distance can assist engineers to solve the rejections rapidly and accurately and make sure the airworthiness.

Key Words：Short edge distance； Damage tolerance； Customer influence

在飛機結構設計中，考慮到人力、物力及時間等成本，零件及其裝配的尺寸公差要在合理的范圍內。飛機機體是通過逐級裝配而成的，首先由零件、元件裝配成小組件，其次是由小組件裝配成大組件，然后由大組件裝配成部件，最后是將部件組裝成整機機體。在公差精度不能無限制地提高和制造過程復雜等現實條件下，盡管工程、工裝、制造均已排除各自的問題，仍有可能由于正常的尺寸公差積累而產生裝配不協調的現象，短邊距就是其中一種典型的裝配偏離。

緊固件孔邊距通常指緊固件孔中心至零件邊緣的距離。一般對于金屬材料，當邊距小于兩倍孔徑（D，兩倍孔徑即為2D）或小于設計圖紙上所要求的邊距就稱為短邊距。本文將闡述一個某型號民用飛機短邊距案例的工程處置方法及強度分析過程。

1 偏離描述

某型號飛機垂直安定面的肋與蒙皮連接處存在13個緊固件短邊距。緊固件為4.8 mm（D），肋上最小邊距為1.68D，蒙皮最小邊距為1.16D。

此處短邊距主要影響結構強度及檢修特性，以下分別評估這些影響。

2 靜強度評估

短邊距可能會引起本體結構的剪切破壞或拉伸破壞，原理分別見圖1、圖2[1]。當本體的剪切破壞及拉伸破壞大于靜載荷下緊固件傳遞的最大載荷時，認為在最大靜載荷下，本體不會發生破壞，這樣本體短邊距對結構的靜強度是可以接受的。

肋材料為7050-T7451，厚度t=7.5 mm，該材料拉伸屈服應力[σty]=441.28 MPa，剪切極限應力[σsu]=289.6 MPa。蒙皮材料為7475-T761，厚度t=4.4 mm，該材料拉伸屈服應力[σty]=461.95 MPa，剪切極限應力[σsu]=275.79 MPa。

在所有靜載荷下，短邊距處緊固件傳遞的最大載荷為P=4393.18 N。

肋在靜載荷下的最大軸向工作工作應力為σt=207.7 MPa，在1.68D的邊距下，加強肋的拉伸破壞載荷為：

19 679.58 N

肋的剪切破壞載荷為：

13 409.3 N

靜載荷下，蒙皮的最大邊路應力是σt=45.38 MPa，在1.16D的邊距下，蒙皮的拉伸破壞載荷為：

11 516.53 N

肋的剪切破壞載荷為：

8 976.13 N

由于肋及蒙皮的破壞載荷均大于緊固件傳遞的最大載荷，所以該短邊距不會造成靜強度失效。

3 疲勞強度評估

使用DFR法評估該短邊距連接結構的疲勞裕度。首先確定加強肋的地空地循環正應力σi及蒙皮膠接組件的地空地循環剪應力τi，如果應力σmax>τmax，則以σi為地空地循環工作應力，反之則以τi為地空地循環工作應力；然后根據結構形式及材料屬性確定結構的DFR值；最后根據文獻[2]的流程計算連接結構的疲勞裕度，見圖3。

地空地循環中，加強肋的最大工作應力為σg=36.17 MPa，蒙皮膠接組件的最大剪應力為τ=8 MPa，所以在該連接結構中取加強肋的地空地循環應力為工作應力。

按照圖3流程計算該結構的疲勞裕度，得到該短邊距連接結構的疲勞裕度為0.07，疲勞裕度仍大于0。因此，整個服役周期內，在沒有初始缺陷的情況下，該連接結構不會發生疲勞破壞。

4 損傷容限評估

裂紋擴展分析、剩余強度分析以及結構檢查大綱是損傷容限評定的三要素，損傷容限評估流程見圖4[3]。

計算模型中板寬W=89 mm，t=6.09 mm，孔直徑D=4.76 mm，孔邊距B=8 mm，裂紋擴展分為兩個階段：第一階段是孔邊擴展至緣條邊緣，如圖5所示，第二階段孔邊裂紋擴展至緣條破壞，如圖6所示。

NASGRO軟件進行分析肋的裂紋擴展過程，第一階段飛行次數為35 692次，第二階段飛行次數為15 933次。endprint

因此，裂紋擴展壽命為51 625次，根據結構的實際情況，分散系數K=2，所以檢查門檻值=51 625/2=25 812.5，取檢查門檻值為25 000。

對于肋緣條內側采取高頻渦流檢測，最小可檢裂紋長度為1.59+（0.3016×25.4-4.76）/2=3.04 mm，到最小可檢裂紋的飛行次數為25 997。重復檢查間隔：（51625-25997）/3=8 542。取檢查間隔為8 500飛行次數。

對于肋緣條外側采取低頻渦流檢測，最小可檢裂紋長度為裂紋擴展至緣條邊緣，到邊緣的飛行次數為35 692。重復檢查間隔：（51 625-35 692）/3=5 311，取檢查間隔為5 300飛行次數。

該連接結構沒有短邊距時，肋與蒙皮連接的緣條釘孔檢查門檻值為30 000，檢查間隔為5 300，檢查方法為低頻渦流。短邊距后檢查門檻值變為25 000，其余不變。

5 客戶影響評估

對于交付客戶的民用飛機，當制造偏離會導致下列附加限制情況時，應標識為客戶影響項目，同時在飛機交付前應取得客戶的認可：

（1）對相應的規章或型號合格證所規定的條件有影響。

（2）影響外觀。

（3）影響零件的可互換性。

（4）影響結構壽命。

（5）限壽項目的壽命有降低。

（6）較大地降低了將來的返修能力。

（7）附加的或特殊的維護要求（如檢查，設備或計劃）。

（8）需要特殊備件。

該文中所述的短邊距制造偏離，經評估，檢查門檻值由30 000降低至25 000，降低了檢查門檻值，屬于特殊的維護要求，故應在飛機交付時告知客戶。

6 結語

短邊距是民用飛機制造過程中出現的一種典型的裝配偏離。該文以某型號民用飛機垂直安定面肋和蒙皮裝配過程中出現的短邊距偏離為例，對其結構形式進行了分析，并從靜強度、疲勞強度和損傷容限三個方面對其進行了強度分析，分析結果為：該偏離對機體結構的靜強度和疲勞強度性能影響可接受，檢查門檻值由30 000降低至25 000，檢查間隔和檢查方法不變。根據強度分析結果判斷該偏離增加了特殊的維護要求，對客戶產生影響。該案例完整描述了短邊距偏離的工程分析過程，能夠協助工程人員快速、準確地處理該類問題，并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.

[2] 《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.

[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（下冊）[M].北京：航空工業出版社，2003.endprint