民用飛機結構損傷容限研究分析

劉松

摘要：隨著科學技術的發展，公眾對民用飛機的安全要求提出了更高的要求，業內對飛機的型號審定及持續適航關注度越來越高。在民用飛機適航領域，結構安全性作為重要的審查環節，其設計及維護理念也在隨著科技的進步不斷革新。本文通過對民用飛機結構損傷容限的分析，借助簡單實例對評定方法進行梳理，并闡述了相應的損傷處理程序，以供參考。

關鍵詞：民用飛機；適航；結構；損傷容限

一、損傷容限概述

民用飛機在整個使用壽命期間應避免由于疲勞、腐蝕、制造缺陷或意外損傷引起的災難性破壞。損傷容限準則是通過一套科學方法確保飛機在使用過程中的損傷在達到臨界尺寸之前能夠被檢查發現且完成修理，使得飛機結構可持續滿足剩余強度的要求，保證飛機的使用安全。

二、損傷容限與耐久性的關系

耐久性和損傷容限是民用飛機結構設計必須滿足的結構特性，根源在于民用飛機經濟型和安全性的權衡，二者的簡單含義如下：

耐久性是結構防止和抵抗損傷產生（包括疲勞、腐蝕、應力腐蝕、熱退化、剝離、脫層、磨損和外來物損傷）白勺能力。損傷容限是結構防止損傷增長至災難性破壞的能力。

現實中，耐久性和損傷容限很難完全分開，二者互為基礎和制約。但二者的設計目標差異較大，耐久性設計的目的是：賦予結構高的疲勞品質，使結構具有對抗疲勞、腐蝕（包括應力腐蝕）和意外損傷的高度阻力，從而確保飛機以低維修成本達到長經濟壽命。

損傷容限設計的目的是：使結構受損傷的危險性減至最小，通過斷裂控制，保證在損傷使強度降至適航條例規定值（剩余強度要求）之前，以高概率及時檢測出損傷，使結構修復后回到條例要求的強度，從而確保民用飛機的安全可靠。

三、損傷容限分析評定

（一）損傷容限評定任務

民用飛機結構的損傷容限分析評定任務包括飛機使用情況確認，重心過載系數譜編制，確定主要結構的危險部位，建立危險部位的應力譜，給出裂紋擴展速率，裂紋擴展分析，獲得材料及相應構型的斷裂韌性值，確定限制載荷下各部位的最大損傷程度，剩余強度分析，確定損傷部位的結構類型，生成裂紋擴展缺陷，確定檢查方法和檢查周期。

（二）損傷容限三要素

損傷容限包括三個同等重要的因素，它們是，剩余強度、裂紋擴展和檢查大綱。

剩余強度分析主要工作是確定剩余強度許用值，該許用值體現了帶裂紋結構實際允許的承載能力，以[σ]rs表示，它隨裂紋長度增加而降低。評定要求該值必須不小于與CCAR25.571規定的剩余強度載荷要求相對應的應力σ要求。

裂紋擴展分析主要任務是在確定的使用載荷環境下，損傷從初始可檢門檻值擴展到最大允許損傷之間的時間間隔，即裂紋擴展壽命。分析任務包括初始缺陷尺寸確定，裂紋擴展率確定及等幅載荷下裂紋擴展壽命計算和變幅載荷下裂紋擴展計算。其中裂紋擴展率確定主要受應力強度因子變程ΔK影響，該參數由Paris公式、Forman公式及Walker公式確定。

結構檢查大綱編寫是民用飛機型號審定工作的重要內容之一，大綱的基本目標是使飛機在整個設計服役目標期內，以可能的最經濟的方法使結構的適航性保持在一個可容許的水平。要能最有效地利用現有的手段，保證及時地檢測或預防由環境惡化，意外事故或疲勞引起的損傷。大綱必須在每種型號民用飛機投入使用前制訂出來。

需要說明的是，由于剩余強度分析和裂紋擴展分析任務需要借助大量的函數迭代實現，計算任務量非常大，在工程實際中一般借助計算機軟件實現，目前業內較為認可的分析軟件有NASGROW和AFGROW等。

四、損傷的處理程序

（一）打磨處理

此種處理方法適用于磨損、腐蝕、非穿透性微裂紋、刻痕及劃痕等局部性損傷。具體步驟如下：

1、使用專用打磨工具或化學溶液去除損傷區域漆層。

2、使用手冊允許的研磨劑或打磨片，打磨去除損傷。為測得準確數據用以進行合適的修理，同時避免疲勞裂紋的擴展，損傷必須完全去除。否則，殘留損傷會降低材料的抗疲勞強度，最終會引起裂紋產生，甚至可導致結構的整體失效。

3、使用無損探傷檢測，確保打磨處理區域沒有任何隱藏裂紋。

4、測量損傷深度或者部件的最小剩余厚度，并在工卡上準確記錄結果。

5、按照結構修理手冊的相應章節判斷損傷是否允許并記錄判斷結果。如果是允許損傷，執行步驟6；如果不是允許損傷，則查找修理方案準備修理。

6、使用蘸有清潔劑的軟布清潔損傷區域并對基體材料施加保護涂層及漆層。

（二）整形修復

此種處理方法適用于較薄的單層材料上的凹坑、彈性變形范圍內的部件變形等損傷。對于部件或凹坑尺寸是否允許整形，則參考相關允許損傷章節和整形章節里面的要求。整形基本步驟如下：

1、詳細目視檢查凹坑狀態并使用無損探傷檢測現有凹坑區域有無裂紋。

2、如檢測沒有問題，則在凹陷一側使用接近部件輪廓外形的沙袋或類似支撐，在另一側使用膠錘或類似的非金屬工具，沿凹坑環向向內輕輕移動敲擊，直至恢復部件原始輪廓或凹坑尺寸滿足允許要求。

3、無損探傷再次檢測整形完成后的凹坑區域有無裂紋。

4、如滿足要求則依據圖紙或手冊恢復部件涂層和漆層。

（三）更換或修理

此種處理方法適用于超出允許損傷標準的損傷部件。在對部件進行更換時，也會遇到各種問題，比如有些件因為種種原因購買不到，或者到貨周期太長無法滿足定檢要求。鑒于此，一些飛機生產廠家也有自己獨特的程序，用以更加方便、及時地協助航空公司或維修單位完成部件更換，比如波音公司的 SMAL（Spares Material Authorization License，簡稱SMAL）程序，可以翻譯成航材自制授權書，是波音用以給客戶提供相關的技術支持以加工制作波音零部件的程序。波音公司推出這個程序其用意在于，如果波音航材部門供貨時間不能滿足飛機維修要求，則可以通過 SMAL 程序提供所需要的技術圖紙等資料，授權航空公司或維修單位自己加工制做該零部件，以避免出現因為等待航材而導致飛機停場周期延誤的情況。需要注意的是，執行 SMAL 程序的前提是緊急訂貨（AOG），且航空公司和波音公司之間已經簽訂了客戶服務總協定 CSGTA（Custom-er Service General Terms Agreement，簡稱 CSGTA），維修單位和波音公司之間必須已經簽訂了航材供貨總協定HMSGTA（Hardware Material Service Gen-eral Terms Agreement，簡稱 HMSGTA）以及附加協議SLA-A（Supplemental License Agreement-Airframe）。對航空公司或維修單位來說，SMAL 程序無疑是解決這些關鍵問題的絕好方法，在做定檢的時候會發現很多損傷，有些重度損傷只能使用新件來更換舊件解決問題，但卻經常出現因為等待航材到貨而導致飛機推遲出場的情況。這時如果應用 SMAL程序，將一些有能力加工制作而供貨時間長的部件自制，會極大節省所需航材的等待時間，從而保證飛機的準時出廠，這將給公司和客戶帶來很大的效益。

五、結語

綜上所述，針對民用飛機的結構損傷問題，相關工作人員必須熟知各種損傷的定義和性質，掌握損傷容限的分析與評定，在損傷處理時才能做出正確、快速的判斷。絕對允許損傷超標的飛機放行，為飛機的安全運行提供可靠保障。

參考文獻：

[1]林明杰.民用飛機結構修理中加大緊固件問題強度分析研究[J].科技創新導報，2017，14（20）：21-22.

[2]蔡禹舜.民用飛機金屬與復合材料結構損傷評定差異性研究[J].航空科學技術，2016，27（08）：21-26.