飞机结构的损伤容限及其耐久性分析飞机结构的损伤容限及其耐久性分析【摘要】随着航空航天技术的发展，飞机结构设计的理论与思想也不断更新，从静强度、动强度、疲劳强度及断裂强度的进化，而损伤容限/耐久性分析也已成为目前飞机结构设计的重要规范。
本文将从飞机结构设计的发展历史说起，详细介绍飞机损伤容限与耐久性分析的设计思想、理论和基本方法，为飞机结构设计提供理论基础。
【关键词】飞机结构设计思想；耐久性分析；损伤容限1、前言随着航空技术的快速进步，基础力学包括结构力学，断裂力学等基础理论的发展，飞机结构设计的方法也日新月异。
飞机结构的损伤容限及耐久性分析在理论的基础上，以及长期的飞机结构设计经验和服役工作历史的数据积累上，国际航空届以标准设计规范的形式确立下来的一种飞机设计方法。
基于损伤容限和耐久性分析的飞机结构设计方法延续以往的设计方法的优点，并相应的补充发展，经过不断的实践发展，目前已具备实用性和形成了相对完整的设计系统。
目前各国的适航认证规定最新设计的民用飞机必须按照损伤容限设计，这充分说明了损伤容限及耐久性分析设计方法的重要性，因此其在国内的推广与应用是必然。
2、飞机结构设计理论的进程从飞机诞生以来，飞机的飞行实践应用推动者飞机设计思想的不断进化。
飞机分为军用机和民用机，民用飞机注重安全与成本，军用机则更加注重飞机的战斗能力和存活性能等方面。
因此飞机结构设计思想随着对飞机要求的不断变化而更新，目前正向着高机动、高稳定性、低成本、长使用寿命的全面设计方法方向进步。
飞机结构最初是采用目前熟知的静强度分析，即对飞机结构的抗拉、压、扭转等各种强度与载荷进行设计计算，引入一定的安全余量系数，使其满足各种结构强度设计的规范。
这是最早期的设计方法，静强度设计的要求主要考虑的飞机结构强度，但相对来说过于简单不够全面。
随着第一次世界大战的进行，在飞机使用的过程中发现，飞机的结构设计不断要有强度上的要求，而且在刚度方面也要满足，这对于飞机的振动有很大的影响。
飞机结构修理飞机的机体结构通常是由蒙皮和骨架等组成;蒙皮用来构成机翼,尾翼和机身的外形,承受局部气动载荷,以及参与抵抗机翼,尾翼,机身的弯曲变形和扭转变形;骨架包括纵向构件主要包括梁和桁条组成其作用主要是承受机翼、尾翼、机身弯曲时所产生的拉力和压力；横向构件包括翼肋、隔框等,主要用来保持机翼、尾翼和机身的截面形状,并承受局部的空气动力,各类飞机大部分以铝合金作为主要结构材料;飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造;因为其密度小、强度高的优点,在航空材料中得以广泛的应用;铝合金结构在使用过程不可避免地受到不同程度的损伤,如蒙皮破孔、梁缘条裂纹、框变形等,因而需要采取相应的方法加以修理,保证各个结构能够在使用中安全负载和工作;主要介绍飞机铝合金蒙皮、梁、桁、框及肋等结构的维修方法1.飞机铝合金蒙皮蒙皮是包围在机翼骨架外的维形构件,用粘接剂或铆钉固定于骨架上,形成机翼的气动力外形;蒙皮用来构成机翼、尾翼和机身的外形,承受局部空气动力载荷,以及参与抵抗机翼、尾翼、机身的弯曲变形和扭转变形;早期低速飞机的蒙皮是布质的,而如今飞机的蒙皮多是用硬铝板材制成的金属蒙皮;机身蒙皮与机翼蒙皮的作用和构造相同;如衍梁、衍条、蒙皮、隔框的不同组合、可以形成机身的不同构造形式;如果蒙皮较厚,则衍梁、衍条、隔柜可以较弱；如果蒙皮较薄,则上述骨架也应该较强、较多;2.梁的结构及特点翼梁翼梁是最主要的纵向构件,它承受全部或大部分弯矩和剪力;翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成如图所示,剖面多为工字型;翼梁固支在机身上;凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成,腹板用硬铝合金板材制成,与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接;凸缘和腹板组成工字型梁,承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力;桁条与桁梁衍条的形状、作用与机冀的衍条相似;桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成,铆接在蒙皮内表面,支持蒙皮以提高其承载能力,并共同将气动力分布载荷传给翼肋;衍梁的形状与衍条相似,但剖面尺才要大些,其作用与翼梁相似;典型梁式机翼的结构长桁的结构及特点长桁桁条是与蒙皮和翼肋相连的构件长桁也称桁条是与蒙皮和翼肋相连的构件;长桁上作用有气动载荷;在现代机翼中它一般都参与机翼的总体受力—承受机翼弯矩引起的部分轴向力,是纵向骨架中的重要受力构件之一;除上述承力作用外,长桁和翼肋一起对蒙皮起一定的支持作用;隔框的结构及特点隔框沿机头到机尾分布,数量很多,主要作用是形成并保持机身的横剖面形状,同时它与析条、衍梁、蒙皮等连接在一起参加整体受力; 隔框的外形和剖面形状很多隔框又分普通隔框和加强隔框;加强隔框须承受如机冀、尾翼、起落架、发动机通过接头传递而来的集中力;故材料和结构都比普通隔框强;翼肋的结构及特点形成并维持翼剖面之形状；并将纵向骨架与蒙皮连成一体；把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁;普通翼肋的作用是将纵向骨架和蒙皮连成一体,把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁,并保持翼剖面的形状;加强翼肋就是承受有集中载荷的翼肋;加强翼肋虽也有上述作用,但其主要是用于承受并传递自身平面内的较大的集中载荷或由于结构不连续如大开口处引起的附加载荷;蒙皮的修理方法;蒙皮的常见损伤：划伤、变形、裂纹和破孔等;蒙皮损伤的后果：1、破坏了飞机的良好气动性能;2、使损伤部位的蒙皮强度降低,承载能力下降;3、危及飞行安全;铝合金蒙皮分：单板蒙皮、整体壁板;单板蒙皮按厚度不同分：薄板蒙皮、整体蒙皮;蒙皮轻微损伤：蒙皮某些部位产生轻微的鼓动、压坑或划伤等.①蒙皮鼓动的修理主要采用整形加强挖补更换蒙皮加强型材或盒型材的方向应垂直或平行于桁条,并至少与相邻的构件搭接一端根据蒙皮的形状和搭接形式将加强型材制出相应的下陷或弧度②蒙皮压坑的修理蒙皮上的压坑,主要是破坏了蒙皮的光滑表面;压坑微小,分布分散、且未破坏内部结构,则不必修理;压坑较浅,范围较大,用无锐角且表面光滑的榔头和木顶块修整;压坑较深,范围较小,不易整平时,可在压坑处钻直径为4～5mm孔,用适当的钢条打成钩形,拉起修平,然后用螺纹空心铆钉堵孔;压坑较深,范围较大时,可在压坑处开直径为10～16mm的施工孔,用钩子钩住,锤击蒙皮四周使其恢复平整;然后安装堵盖铆钉堵孔;压坑较深,范围较大时,可在压坑处开直径为10～16mm的施工孔,用钩子钩住,锤击蒙皮四周使其恢复平整;然后安装堵盖铆钉堵孔;压坑较深,且出现棱角,整形比较困难;修理方法：局部退火后,从棱角线周围,逐步向棱角线整形收缩;为防止棱角线扩大和整形中出现大裂纹,钻2mm止裂孔,并打光孔边,整形至基本符合外形后,在棱角线上切口,在切口背面铆补加强片;蒙皮裂纹的修理裂纹的危害蒙皮上的裂纹,降低了蒙皮的强度,且在受力过程中,裂纹还会因应力集中的缘故,继续扩展蒙皮裂纹的修理方法：①钻止裂孔②铆接加强钻止裂孔蒙皮上的裂纹较短时一般小于5mm,可采用钻止裂孔直径通常为～2mm的方法止裂;止裂孔位置的重要性：如果裂纹孔没有钻在裂纹的尖端处,不能消除裂纹尖端应力场的奇异性,也就起不到作用;止裂孔位置的第1种情况：图1止裂孔钻在裂纹的中间,没有把裂纹前缘去掉,在钻孔过程中,又可能在裂纹尖端附近造成新的微裂纹,起不到止裂作用;止裂孔位置的第2种情况：图2止裂孔位置不正,没有消除裂纹尖端处应力的奇异性;止裂孔位置的第3种情况：图3止裂孔的位置太靠前,这时裂纹的扩展方向捉摸不定,裂纹的扩展有可能偏到止裂孔的一侧去,起不到止裂作用;止裂孔位置的第4种情况：图4止裂孔位置比较合理,消除了裂纹尖端应力的奇异性,起到止裂作用;铆接加强蒙皮上的裂纹较长时,如果只采用钻止裂孔,只能消除裂纹尖端应力场的奇异性,但止裂孔处有较高的应力集中;止裂孔处在交变载荷作用下,原裂纹还会继续扩展;蒙皮上的裂纹较长时,除钻止裂孔外,还需在裂纹部位的内部铆补一块与蒙皮材料相同、厚度相等的加强片;不具备从内部铆补加强片的条件时,可从外部贴补盖板;边缘应制倒角,倒角宽度应大于盖板厚度的3倍;如下图：蒙皮破孔的修理①蒙皮小破孔的无强度修理②破孔的一般修理方法③修理蒙皮破孔时的强度计算④跨构架蒙皮破孔的修理⑤不易施工处蒙皮破孔的修理⑥双层蒙皮破孔的修理⑦前缘蒙皮破孔的修理蒙皮小破孔的无强度修理蒙皮上的破孔,如果直径较小,对蒙皮强度影响甚微,可采用无强度修理;不考虑强度,只恢复表面气动性能的修理方法;无强度修理的方法：破孔直径在5mm以下,可使用铆钉、拉铆钉堵孔；破孔直径在5～16mm之间,可采用拉铆钉、堵盖铆钉或螺栓堵孔；破孔直径在16～30mm之间,可采用口盖的形式堵孔;破孔的一般修理方法通常采用托底平补法：首先将损伤部位切割整齐,然后用补片填补切割孔,用衬片托底,通过衬片和蒙皮连成一体;托底平补法的图例注意事项切割线一般应不超过损伤范围5mm；为了便于制作补片和衬片,需将蒙皮损伤处切割成规则的形状;如圆形、长圆形、矩形等切割线的直线部分应与构架即梁、桁、肋、框相平行,并与构架保持一定距离,以便铆接衬片；由于机翼蒙皮上的正应力比剪应力大得多;在蒙皮上开长圆孔或矩形孔时,应尽量使长轴或长边平行于桁条,以减少垂直于正应力方向的切口长度；切割线应尽可能避开铆钉;修蒙皮破孔时,必须使衬片有足够的强度;衬片通常是用损伤蒙皮材料相同、厚度相等的板材,衬片的强度一般不需进行计算; 但需计算接缝处的铆钉数;情况1：长轴垂直于桁条的长圆孔和圆孔时铆钉数的计算；情况2：长轴平行于桁条的长圆孔和矩形时铆钉数的计算；跨构架蒙皮破孔的修理情况1：构架没有损坏；可将衬片做成两块,其中一块衬片应搭接在构架的弯边上;情况2：构架和蒙皮同时损坏;构架和蒙皮同时损坏先衬片,后构架方法：衬片最好做成一整块,先将它与蒙皮铆接,再接补损伤的构件即构架,最后铆接补片不易施工处蒙皮破孔的修理用托底平补法修理蒙皮破孔,需要在蒙皮里面放置衬片,铆接衬片和补片;飞机的有的部位,如后机身,可从蒙皮的内部接近损伤处,放置衬片和铆接比较容易;飞机的有的部位,如机翼、尾翼、进气道等,不易从蒙皮的内部接近损伤处,放置衬片和铆接存在困难;首先要充分利用切割孔进行施工双层蒙皮破孔的修理双层蒙皮的结构有三种：内外蒙皮之间有框架；内外蒙皮之间铆有较厚的垫条；内外蒙皮重叠和构架铆接在一起；梁缘条和长桁的修理方法损伤类型：缺口、裂纹、断裂等;缺口的修理宽度较窄的缺口一般小于5mm：沿构件的截面方向测量只需将缺口锉修成光滑的弧形,用砂纸打光后涂上底漆即可;宽度较宽的缺口：沿构件的截面方向测量需把缺口切割整齐,用填片填上缺口,并铆上加强片;裂纹的修理裂纹长度较小不大于2mm时：采用错修法;裂纹长度大于2mm,小于构件一边宽度的2/3时：在裂纹的末端钻φ2～的止裂孔后,用加强片加强裂纹长度大于构件一边宽度的2/3时：在裂纹的末端钻φ2～的止裂孔后,用与构件相同的型材进行加强;如便于整根取下：采用更换的方法修理,即取下断裂构件,用材料相同、规格相等的型材,制作新构件,按原孔铆接;如不便于整根取下：则接补型材修理;隔框和翼肋的修理方法典型损伤：范围较小的变形、裂纹或破孔,也可能产生范围较大的损伤;修理的要求：恢复损伤框、肋的外形和强度;框、肋的变形多出现在框、肋的腹板上,可采用整形的方法恢复平整;如果整形后仍有鼓动,可在变形部位铆接加强片或型材,以提高框、肋的稳定性;框、肋上的裂纹长度＜5mm时：对框、肋的强度削弱不多,修理时可在裂纹端头钻直径～2mm 止裂孔后使用;对于在减轻孔、槽口等原切口边缘处出现的不大于5mm的裂纹, 可将裂纹锉修圆滑,不必加强;当框、肋上的裂纹长度＞5mm,但未超过框、肋截面高度的1/3时：修理方法:裂纹末端钻止裂孔;铆一块与框、肋材料相同、厚度相等的加强片;当框、肋上的裂纹长度超过框、肋截面高度的1/3时,使框、肋的强度降低很多,应按框肋的断裂方法修理;三、飞机铝合金结构损伤的事例飞机蒙皮更换图飞机裂纹检测图为GAMECO广州飞机维修工程有限公司为南航一架B-737CL飞机完成了两张整体蒙皮的更换工作;所更换蒙皮的面积之大,尚属国内首例;此项工作是GAMECO根据南航要求,依照厂家工程指令对所指定的B-737飞机后机身STA727-907站位下方两侧S20-S25之间两块长度接近7米,宽近2米的整张蒙皮进行改装更换,以此达到飞行安全要求;整个工程涉及有关区域几百个部件的拆卸和重新安装,上万个新紧固件孔必须确保同时精确定位,每块大约14平方米的新蒙皮又务必与存在多曲度方向的机身轮廓完美贴合;GAMECO工作团队通过不断研究探索,面对和克服了许多由这次首例改装带来的技术和施工难点,包括由于新旧蒙皮外形尺寸和双向曲度都存在差异造成的定位困难、多处搭接带重要紧固件的重新定位、以及多处蒙皮补片的重新修复等;F15出现蒙皮裂纹美国空军时报报道由2007年11月2日密苏里州空中国民警卫队一架F-15战机发生坠毁事故所引起的检查中,现又发现了具有相同裂纹的第9架F-15“鹰”战斗机;据密苏里州坠机事故调查委员会的领导称,其所关注的问题是F-15战机蒙皮下的前金属纵梁,该梁主要支撑驾驶舱和加固该战机;框结构改装Ameco顺利将一个重达吨的尾翼垂直安定面从一架A340飞机上拆下,开始为其实施机身站位80框至87框结构框的改装;。
