蒙皮穿透裂紋損傷膠接修理的強度評估

于克杰 周煒 孫修柱

摘要：基于有限元計算方法，對某飛機機翼蒙皮裂紋損傷膠接修理方法進行了強度評估。研究了60mm長度穿透型裂紋損傷對膠接修理搭接寬度的影響，得到了較有利的搭接寬度，對蒙皮裂紋損傷修理具有參考價值。

關(guān)鍵詞：蒙皮;有限元;穿透裂紋;膠接修理

中圖分類號：V215.2⁺1文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922{2019}05-0027-03

現(xiàn)代飛機普遍采用了厚蒙皮作為飛機的外表結(jié)構(gòu)，這些厚蒙皮的使用較傳統(tǒng)的薄壁結(jié)構(gòu)賦予了更重要的功能，一是作為重要的結(jié)構(gòu)件參人飛機結(jié)構(gòu)的受力，二是與其他構(gòu)件圍成密封油箱。在長時間的飛行中，飛機蒙皮由于疲勞受載、維護使用不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計不足等諸多因素影響會導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，裂紋損傷成了平常修理過程中的主要表現(xiàn)形式。蒙皮的裂紋損傷修理方法一般采用鉚接修理、螺接修理和膠接修理，由于膠接修理方法對飛機結(jié)構(gòu)不會造成二次損傷，并且修理方法簡單、快速，因此膠接修理在平常修理特別是應(yīng)急情況下優(yōu)選的修理方法。對于受載較大蒙皮結(jié)構(gòu)裂紋修理時要求恢復(fù)其原有的強度。在膠粘劑確定的情況下，膠接面積決定了膠接修理的強度。本文基于有限元計算方法，以某飛機機翼蒙皮裂紋損傷為例，進行了膠接修理強度估算，通過計算給出了合適的搭接寬度，為裂紋損傷的膠接修理提供了依據(jù)。

1裂紋損傷部位說明

裂紋損傷部位位于某型飛機機翼下蒙皮，該處飛機蒙皮結(jié)構(gòu)承受壓縮載荷狀態(tài)。蒙皮上有-60mm穿透型裂紋，裂紋的走向沿著能對結(jié)構(gòu)造成最大影響的方向，即垂直于主應(yīng)力方向（沿著翼肋的方向），見圖1所示。該處蒙皮材料為鋁合金2806，板厚度為3mm，E=67.2GPa，u=0.33，σ_b=390MPa。

2修理方法說明

裂紋修理采用單面膠接蓋板恢復(fù)其強度的方法，蓋板可以制成圓形，也可以制成矩形，本文采用圓形蓋板，如圖2所示。

2.1蓋板制備

蓋板的材料、厚度與原損傷區(qū)蒙皮相同，即采用2806鋁合金板材，厚度3mm。搭接寬度w分別為20mm、30mm、40mm、50mm四種情況進行比較。為減少空氣動力阻力，蓋板邊緣制作有30°～45°倒角。

2.2膠接前準備

對穿透裂紋損傷的實際修理過程中，需要首先在裂紋兩端打上止裂孔，止裂孔直徑一般取3mm，然后按照膠粘劑通用粘接工藝，對待膠接的區(qū)域進行打磨、清洗、烘干等措施處理。

2.3膠粘劑

修理采用的是常溫、24h固化的結(jié)構(gòu)膠，若在加溫條件下還可以減少固化時間，其配方為：環(huán)氧樹脂4份，聚酰胺1份，環(huán)氧通用稀釋劑1份，四乙烯五胺固化劑0.5份。

2.4涂膠與加壓

按照通用膠接涂膠工藝刷涂膠液，注意膠層厚度不要太厚或太薄，一般控制在0.10mm～0.15mm之間。施工中注意搭接面的貼合程度，必要時，可采用鈑金成形方法進行提盒成形，在固化時對蓋板進行加壓。

3有限元計算

3.1模型建立

有限元模型取自飛機全機有限元模型，載荷工況為A0.85情況進行應(yīng)力分析。通過對總體有限元模型分析部位的網(wǎng)格細化，建立起帶有損傷和膠接修理結(jié)構(gòu)的細節(jié)有限元模型，細化后局部模型的網(wǎng)格節(jié)點通過MPC單元RSPLINE與原總體模型節(jié)點相關(guān)聯(lián)，分析計算仍在全機有限元模型下實施。細化后的板單元網(wǎng)格尺寸為5x5，桿單元長度為5，細化后的單元數(shù)量共6986個。具體見圖3所示。

3.2計算結(jié)果

（1）穿透性裂紋損傷應(yīng)力情況

計算60mm穿透裂紋損傷孔邊應(yīng)力分布見圖5所示，可以看出穿透型裂紋損傷雖然在裂紋尖端進行了打止裂孔的處理，但孔邊應(yīng)力集中還是比較嚴重。

（2）膠接修理強度計算

膠接修理計算中膠粘劑的參數(shù)選擇如下：彈性模量E=52100MPa，u=0.33，剪切強度τ_b=16.5MPa。

對于60mm裂紋損傷，膠接修理時分別按照20mm、30mm、40mm、50mm膠接寬度進行，膠接剪切強度計算結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，當(dāng)搭接寬度為20mm，30mm進行膠接修理時，計算結(jié)果均大于所用膠的實際剪切強度，由于膠接對象的接觸面積決定了膠接的剪切總體受載，說明搭接面積過小，即需要增加膠接過程中的搭接寬度才行。當(dāng)搭接寬度為40mm時，雖然剪切強度剛夠，但是考慮到理論和實際施工因素的誤差，從安全角度考慮，還是偏于不安全，當(dāng)搭接寬度為50mm時，膠層計算結(jié)果比實際膠的剪切強度大出27%，結(jié)果比較理想。

4結(jié)論

（1）從計算結(jié)果可以看出：蒙皮穿透裂紋型損傷，從強度恢復(fù)方面考慮，采用膠接修理的方法是可行的。

（2）隨著蒙皮蓋板膠接搭接寬度的增加，加大了膠接對象的接觸面積，利于結(jié)構(gòu)損傷強度的恢復(fù)。但在實際應(yīng)用中，蓋板搭接面積的擴大對飛機修理來講既增加了重量，又影響空氣動力，并且面積的擴大需要考慮蒙皮弧度的影響，必然增加修理的難度，在施工過程中應(yīng)注意把握好界限。