內襟翼艙典型裂紋問題解決方案

摘 要:很多民用飛機機翼內襟翼艙存在因振動所致裂紋或與內襟翼干涉摩擦等問題，且目前并沒有詳細資料以說明或指導機翼后緣襟翼艙設計，本文以某型機的問題處理為例，對民用飛機內襟翼艙振動疲勞所產生的典型裂紋問題給出解決思路和方案，以供類似飛機設計和問題處理時參考。

關鍵詞:內襟翼艙 裂紋 振動

中圖分類號:V22文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0029-02

1引言

對于大多數民用客機來說，由于內襟翼艙通常作為次承力結構在強度上很少重點考察，同時內襟翼艙所在位置環境復雜，內部氣流紊亂難以進行簡潔有效的CFD分析，因此很多飛機內襟翼艙部位會存在明顯的振動問題以致導致結構出現裂紋。而且由于此處流場與載荷復雜，內襟翼艙與內襟翼間很難給出合理間隙要求，很多飛機內襟翼艙與內襟翼都出現了干涉或者摩擦問題。如果沒有充分的工程經驗支持來預先避免可能發生的問題，內襟翼艙問題往往會暴露在飛機試驗或試飛過程中，而此時考慮到前期的工作和投入的成本已很難通過重新布置設計結構來解決問題而且目前也沒有較詳細的資料來指導飛機機翼后緣襟翼艙的設計，這里以某型機內襟翼艙裂紋為例，提供解決這類典型問題的思路和方案。

2 某型機內襟翼艙結構簡介

內襟翼艙位于機翼固定后緣部分，機翼根部到外襟翼艙之間，包括內襟翼艙輔助梁、內襟翼艙輔助梁接頭、端隔板、1#～7#隔板、1#～5#上壁板、1#～8#下壁板、地面擾流板a～d懸掛支臂等結構，見圖1～圖2。

2.1 故障描述

某型飛機試飛過程中，多架飛機內襟翼艙5#隔板同一位置反復多次發生裂紋故障，如圖3所示。

2.2 5#隔板在內襟翼艙的位置及結構簡介

5#隔板位于內襟翼艙中部，外側緊鄰地面擾流板，隔板上緣條搭接內襟翼艙上壁板，下緣條搭接內襟翼艙下壁板，根部連接在后梁的立筋上。5#隔板材料選用7050-T7451鋁合金機加而成，主要起維持內襟翼艙氣動外形，對上、下壁板起支持作用。

3 裂紋原因分析

5#隔板的主要作用是維持機翼固定后緣外形，將內襟翼艙上下壁板受到的氣動載荷傳遞到機翼盒段。5#隔板參與機翼盒段的整體受力，既不承受機翼彎曲和扭轉載荷，僅承受固定后緣上、下壁板傳來的局部氣動載荷。針對5#隔板屢次出現的裂紋建立了詳細的故障樹(圖6)對裂紋產生的原因進行徹底細致的分析。

經過以上幾個方面的工作，可以得到以下結論。

(1)內襟翼艙5#隔板的裂紋故障主要是由于振動疲勞導致的；

(2)機翼后緣的復雜流場環境導致了內襟翼艙在襟翼運動過程中產生振動；

(3)內襟翼與內襟翼艙之間的干涉，可能加劇內襟翼艙5#隔板的破壞；

(4)制造的偏差對機翼后緣的流場環境以及干涉量均會造成一定影響。

4 解決方案

通過計算分析并選擇一架飛機進行飛行試驗驗證，依據內襟翼艙5#隔板裂紋故障原因分析及飛行試驗分析結論，內襟翼艙5#隔板裂紋解決方案如下。

(1)增加內襟翼艙的結構剛度，提升固有頻率，減小模態應力；

將內襟翼艙5#隔板梢部由單彎邊改為雙彎邊，將緣條厚度增厚，增加加強筋。如圖7所示。

(2)盡可能減少結構干涉，降低應力均值；

修改5#隔板內形，增加5#隔板與內襟翼間間隙，如圖8所示。

(3)改進材料和結構細節，減少應力集中；

將5#隔板分成前段和后段兩部分，前段使用7050-T7451提高支持強度，后段使用2024-T351改善疲勞性能。

增大梢部倒圓，腹板上增加開孔。

5#隔板外側增加彎邊后，改善地面擾流板與固定后緣對縫處的空氣流場，減小氣流擾動。

解決方案如圖9所示。

(4)在內襟翼艙與內襟翼摩擦區域增加防摩漆，見圖10。

4.1 方案影響分析

改裝方案僅對5#隔板本身的細節進行改進，不影響機翼的主傳力路徑和氣動載荷的傳遞。單側機翼內襟翼艙5#隔板增重0.511Kg。方案采用7050-T7451和2024-T351厚板數控機加，為常規工藝。方案不影響固定后緣裝配型架，采用飛機上的常用高鎖螺栓和鉚釘裝配，裝配工藝性良好。方案經過飛行試驗驗證機的改裝裝配，5#隔板分為前后兩部分后，補償性好，改裝工藝性良好。方案對系統的安裝界面沒有進行更改，因此不影響相關系統的安裝及使用維護。方案使用常規的材料和制造裝配工藝，更改范圍僅限于5#隔板及內襟翼防摩漆，對飛機的生產成本基本不產生影響。

4.2 改進方案強度分析結論

根據強度有限元計算分析結果如下:

(1)更改后5#隔板部位的局部振動頻率為147Hz，比之前的測量狀態高30Hz。

(2)去除梢部連接單元附近不真實的應力結果，5#隔板第一階模態應力為8.6MPa，遠低于原結構的模態應力19.6MPa，下降了56%。

(3)根據5#隔板應變測量結果，結構更改后振動導致最大應力為43MPa，由于材料改為2024-T3的鋁合金，因此該應力遠小于材料疲勞門檻值。

根據以上分析，結構抗振動能力顯著提升，滿足強度要求。

5 結語

通過對內襟翼艙5#隔板已出現裂紋零件的失效分析、有限元故障再現分析，振動、應變實測、間隙檢查分析結論，以增大內襟翼與內襟翼艙結構間隙，提高5#隔板支持剛度，改善振動特性進行改進設計。經強度計算分析，認為改進設計方案能夠滿足靜力及疲勞要求。同時改進設計方案滿足制造和裝配工藝性要求。改進后的單側內襟翼艙重量相比原結構增重0.511kg。

參考文獻

[1]飛機設計手冊第10冊 結構設計.航空工業出版社.飛機設計手冊總編委會，2000.

[2]中國民用航空規章25部CCAR—25，1985.