A320 系列飛機后貨艙門檻水平腹板更換件的設計及適航符合性驗證分析

倪澤軍

(北京飛機維修工程有限公司西南維修工程服務部,四川 成都 610201)

1 背景情況

現代客機中,門(客艙門、貨艙門等)開口區域不銹鋼/鈦合金門檻保護板下面的水平腹板,經常由于腐蝕損傷需要更換。

從空客等OEM廠家購買更換件一方面價格不菲,另一方面有時候到貨周期可能比較長,所以通常需要自制加工更換件。自制加工更換件的難題在于減輕孔翻邊的處理,用翻邊的方法增加減輕孔腹板的剛度和穩定性是一種適合飛機制造廠家批量生產的簡單且低成本的制作方法,借助大型沖壓機床在O 狀態成型后熱處理至T42 狀態。在飛機維修企業中,大型的沖壓設備、模具、熱處理設備都是很昂貴的固定資產投資,按照飛機制造廠家的制作方法加工每次只用一件的更換件就變得很不經濟。所以,有必要設計更適宜于航空維修企業的更換件。

2 基本的設計思路

對A320S 飛機的后貨艙門檻的水平腹板,除了下述三個區別外,按照空客的OEM 圖紙制作新的腹板更換：(1)將腹板兩端的4 個140mm 直徑減輕孔開口的加強方式從90 度翻邊更改為用環形加強板加強。(2)因為不需要在O 狀態翻邊成型,使用鋁板出產廠家熱處理并自然時效的CLAD 2024-T3 鋁板代替OEM廠家從鋁板制造廠家采購CLAD 2024-O 鋁板,翻遍成型后自行熱處理并自然時效至T42 狀態,即使用機械性能更好的CLAD 2024-T3 鋁板代替CLAD 2024-T42 鋁板。(3)表面保護涂層,采用阿洛丁+漆層防護系統代替OEM 廠家的陽極化+漆層防護系統。

3 環形加強板的設計

因為原廠腹板材料為1.6mm(0.063 英寸)厚度CLAD 2024-O 鋁板,制作成型后熱處理至T42狀態。自制的更換腹板采用相同材料的1.6mm(0.063 英寸)厚度CLAD 2024-T3 鋁板,所以,用于減輕孔加強的環形加強板也采用1.6mm(0.063英寸)厚度CLAD 2024-T3 鋁板,內徑和原廠腹板的減輕孔直徑一樣,為140mm,外徑匹配飛機上的安裝空間,為180-184mm。環形加強板用常用的埋頭鉚釘NAS1097AD5*安裝,鉚釘保證不小于2D 的邊距,4-6D 的間距,即使用24 顆鉚釘,平均分布。

4 自制件更換的修理方案

4.1 按照SRM51-42-11 拆下連接損傷的腹板的緊固件,按照SRM51-72-11 拆下損傷的腹板,清潔修理區域。

4.2 忽略腹板兩側的4 個140mm 直徑減輕孔的翻邊,以拆下的舊件為模板,或者按照OEM 圖紙D53475565,用1.6mm(0.063 英寸)厚度的CLAD 2024-T3 鋁板制作新的腹板。

4.3 按照圖1,用1.6mm(0.063 英寸)厚度CLAD 2024-T3鋁板制作4 件減輕孔環形加強板(每個帶翻邊的減輕孔各一件)。

4.4 如圖1 所示,按照SRM51-44-11 對新的腹板和環形加強板配鉆安裝加強板的緊固件孔。

圖1 環形加強板的設計安裝示意圖

4.5 對新的腹板,按照SRM51-44-11 制作安裝用緊固件孔,緊固件采用和OEM 相同的緊固件。緊固件的替代參見SRM51-43-00。

表1 材料替換系數

表2 材料機械性能比較

4.6 按照SRM51-46-11 對緊固件孔制作埋頭窩。

4.7 對新的腹板和4 件減輕孔環形加強板去除銳邊和毛刺等輕微缺陷。

4.8 按照SRM51-21-11, 對新的腹板和4 件減輕孔環形加強板作阿洛丁-1200(Material No.10ABC1)處理。

4.9 按照SRM51-23-11, 對新的腹板和4 件減輕孔環形加強板涂兩層結構環氧底漆(Material No. 04DAB2 或等效)+一層面漆(Material No.04JME4)或等效。

4.10 參照PMS01-06-12,使用不褪色墨水筆(或漏字模),對新的腹板標記件號：RBS202003X-1; 對4 件減輕孔環形加強板標記件號RBS202003X-2。

4.11 清潔修理區域,按照NTM51-90-00,仔細目視檢查修理區域區域結構,確信無其他損傷。

4.12 按需對修理區域結構補漆(wash primer Material No.04CMA2+MaterialNo.04DAB2 或 MaterialNo.04EAC2 或等效)。

4.13 接觸面涂防腐密封膠Material No. 06AAA1, 按照FIGURE2 安裝4 件減輕孔環形加強板,緊固件的安裝參見SRM51-42-11。

4.14 接觸面涂防腐密封膠Material No. 06AAA1,安裝新的腹板,緊固件的安裝參見SRM51-42-11。

5 審定基礎- 適用的適航法規

25.301:載荷；25.303：安全系數；25.305：強度及變形；25.307：結構符合性的證明；25.571：結構的損傷容限和疲勞評定；25.601：設計與構造總則；25.603：材料；25.605：制造方法；25.607：緊固件；25.609：結構保護；25.611：可達性措施；25.613：材料的強度性能和材料的設計值；26.43(d):老齡飛機安全,修理和改裝的損傷容限資料。

6 自制件腹板整體(不考慮減輕孔翻邊)設計符合性分析簡述

在不考慮減輕孔的加強方式時,自制件和OEM原件的構型、尺寸完全相同,材料由CLAD 2024-T42 鋁板更換為相同厚度的CLAD 2024-T3 鋁板。其設計符合性可以從SRM手冊和載荷計算兩個方面進行驗證分析。

6.1 SRM手冊允許的材料替換

根據SRM51-71-12 Table 004,允許使用CLAD2024-T3 替換OEM CLAD2024-T42,且替換系數為1.0。(表1)

6.2 載荷計算

根據SRM51-70-11 Table 003：(表2)

記OEM 件的安全裕度為MS.OEM, 記修理用更換件的安全裕度為MS.REP, 記OEM設計的極限載荷應力為fult,限制載荷應力為flimit,則在相同的設計極限載荷下：

MS.OEM=(FTU.OEM/fult)-1

MS.REP=(FTU.REP/fult)-1

fult=FTU.OEM/(1+ MS.OEM)

fult=FTU.REP/(1+ MS.REP)

FTU.OEM/(1+ MS.OEM)= FTU.REP/(1+ MS.REP)

MS.REP=(FTU.REP/ FTU.OEM)* MS.OEM+(FTU.REP/ FTU.OEM-1)

即MS.REP.ULT=(FTU.REP/ FTU.OEM)* MS.OEM.ULT+(FTU.REP/FTU.OEM-1)=420/405* MS.OEM.ULT+420/405-1=1.037 MS.OEM.ULT+0.037>0

同理,在限制載荷下：

MS.REP.LIMIT=(FTY.REP/ FTY.OEM)* MS.OEM.LIMIT+(FTY.REP/FTY.OEM-1)=310/240*MS.OEM.LIMIT+ (310/240-1)=1.29 MS.OEM.LIMIT+0.29>0

同時考慮極限和限制載荷, FDU=FTU和1.5 倍FTY中的較小值：

MS.REP.綜合=(FDU.REP/ FDU.OEM)* MS.OEM.綜合+(FDU.REP/ FDU.OEM-1)=420/360* MS.OEM. 綜合+(420/360-1)=1.17 MS.OEM.綜合+0.17>0

安全裕度MS 始終為正值,所以,靜強度條件下,修理用更換件代替OEM件是可行的。

7 減輕孔加強方式的設計符合性分析簡述

7.1 分析邏輯

翻邊和環形加強板都是參考資料[1]第13 章所述的剪切梁剪切腹板的減輕孔加強方式之一,利用參考資料[1]第13 章的理論和反工程的分析方法,計算出OEM原件減輕孔翻邊的平均應力水平,再利用參考資料[1]第13 章的理論和環形加強板的設計構型,校核環形加強板加強后加強孔的局部應力水平,保證更換件比OEM原件具有更好的承載能力和損傷容限能力。

7.2 OEM原件減輕孔翻邊的局部應力水平計算

參見圖2-OEM 原件構型,根據OEM 圖紙D53475565,b=266.7mm, D=140mm, he=247mm,t=1.6mm

則he/t=154, b/t=166, D/he=0.56, D/b=0.52

查參考資料[1]第13 章圖13.2.3 得：F0=7500lb/in2, 且K1=0.51

根據參考資料[1]第13 章式13.2.1,設計許用剪應力FS=K1F0=0.51*7500=3825 lb/in2

根據參考資料[1]第13 章式13.2.2,設計許用剪流qall=K1F0t=0.51*7500*0.63=3825*0.063=241 lb/in

即OEM件在翻邊開口處設計的剪流q 為241 lb/in。

圖2 OEM 原件構型

7.3 自制件用環形加強板加強后減輕孔區域的局部應力水平校核

環形加強板的厚度tR=1.6mm (0.063in), 環形加強板的寬度W=22mm(0.87in),腹板厚度tW=1.6mm(0.063in),前面計算出的剪流q=241lb/in.

根據參考資料[1]第13 章式13.4.1 和圖13.4.3,切線之間的鉚釘排列形式,每英寸寬度鉚釘傳遞的載荷qR=2*q*tR/(tR+0.8tW)=2*241*0.063/(0.063+0.8*.063)=267.8lb/in

孔的直徑D=140mm=5.5in, 所以,作用在鉚釘上的總載荷PR=267.8*5.5=1476lb

根 據 SRM51-70-13, Table 009, 在 1.6mm 厚 度CLAD2024-T3 鋁板中安裝NAS1097AD5 鉚釘的單剪許用擠壓載荷為2273N,單剪許用剪切載荷為2650N。

根 據 SRM51-70-13, Table 010, 在 1.6mm 厚 度CLAD2024-T42 鋁板中安裝NAS1097AD5 鉚釘的單剪許用擠壓載荷為2273N,單剪許用剪切載荷為2650N。

所以,本連接的緊固件臨界許用載荷Ps,all 為2273N=511.0 lbf。

板的許用擠壓載荷Pb,all=FBRU*D*t, 由于緊固件濕安裝,取80%的擠壓縮減系數,

所以Pb,all=80%*FBRU*D*t=80%*500MPA*4.0mm*1.6mm=80%*500*145psi*0.16in.*0.63in.=584.64 lbf

所以,本連接的臨界許用載荷為Ps,all=511.0 lbf。

如圖1 所示,當內徑為140mm,鉚釘中心線直徑為164mm,使用24 顆鉚釘均布時,環形加強板兩切線之間鉚釘的總數n=8

所以安全裕度MS=n*Ps,all/PR-1=8*511/1476-1=1.77>0,滿足要求。

8 結論

綜上所述：除了用環形加強板代替孔翻邊的減輕孔加強方式外,以OEM 舊件為模板,用相同材料和厚度的1.6mm(0.063英寸)CLAD 2024-T3 鋁板代替CLAD 2024-O 熱處理至T42鋁板制作A320S 飛機后貨艙下門檻水平腹板進行更換是滿足適航要求的。