結構修理中的剛度突變控制方法研究

單興業 趙文武 于淼 朱萌 畢道明/ 沈陽飛機設計研究所 國營蕪湖機械廠

0 引言

飛機在長期使用過程中，隨著飛行時間和日歷壽命的增加，可能因疲勞載荷、應力腐蝕或使用不當等產生機體結構裂紋。為了提升飛機的耐久性，保證服役期內的飛行安全，維修廠結合飛機大修周期對主傳力構件進行無損檢測，并對裂紋部位進行補強修理。根據現有二次大修飛機的檢測結果，一次大修已出裂現紋并經過補強修理的部位，有一定的幾率出現裂紋擴展或在補強角盒邊緣產生新裂紋。本文針對此問題分析裂紋擴展或產生新裂紋的原因，并通過計算分析給出解決方案。

1 結構修理中的裂紋擴展現象

結構修理通常按照等強度、等剛度原則采用金屬制補強角盒對原結構進行補強。根據現有的二次大修飛機檢測結果，一次大修已出現裂紋并經過補強修理的部位有一定幾率出現裂紋擴展或在補強角盒邊緣產生新裂紋，樣例如圖1所示。

2 原因分析

圖1 二次大修發現的裂紋擴展

由于一次大修時的修理方案均按等強度、等剛度原則制定，再考慮到原機結構的剩余承載能力，修理部位的應力水平應不高于修理前，在鉆制止裂孔的情況下，裂紋不應出現擴展。

因結構的自身承載能力未下降，分析認為該部位產生裂紋擴展的原因是補強修理帶來的剛度變化導致局部載荷增加。

補強角盒提升了修理部位的剛度，卻將其他傳力路徑上的載荷引入修理部位，以圖2 的多構件結構為例，假設圖2 中B 板與D 板有相同的變形量，根據軸向載荷與變形量的關系，可推導出載荷傳遞的分配與剛度成正比，見公式（1）[1]。

式（1）中，E為材料的彈性模量，A為截面積。

圖2 多構件結構示例

3 剛度突變控制方法

按式（1）的分析結果，要減少修理部位過多的載荷傳遞，需要在保證修理強度的前提下適當控制局部剛度。為了達到這一目的，補強修理方案可由圖3 的等厚度形式更改為圖4 的變厚度形式。

圖3 補強角盒的形式

圖4 計算模型

圖5 板厚度與過渡區拉應力的關系

圖1 的樣例中，在載荷傳遞路徑上只有單排緊固件，該構件與盒段結構中的其他構件進行載荷分配，盒段為復雜多傳力路徑的靜不定結構。為了更直觀地說明剛度突變帶來的載荷傳遞變化，驗證圖4 的變厚度補強方案是否具有優勢，建立如圖4 所示的計算模型。

圖4 中下層平板材料為鋁合金7B04，厚度6mm；上層白色+淺藍色平板材料為結構鋼30CrMnSiA，淺藍色部分厚度3mm，通過計算分析，白色部分厚度與連接區邊緣A 點拉應力的關系見圖5。在厚度由3.0mm 減為1.5mm 后，A 點拉應力降低6.5%。由此可見，通過減小補強板在邊緣部位兩排緊固件范圍內的剛度，可以減少該區域由于剛度突變帶來的載荷過度引入，從而有效降低補強板邊緣部位機體結構的應力水平。

4 結論

通過以上計算分析，得出以下結論：

1）對多傳力路徑結構的補強修理會帶來結構局部剛度的變化，從而改變多個傳力路徑間的載荷分配；

2）在補強角盒邊緣設置變厚度區，可以有效減小因剛度突變帶來的機體結構附加應力；

3）在結構補強修理中還應控制補強件的剛度，在滿足強度要求的前提下，盡量做到小型化、輕量化，避免補強件剛度過大造成原結構損傷。