損傷容限技術在整體壁板設計中的應用

胡 斌 曹紅偉 石鵬飛 何紅芳 張 蕓

（中航工業股份有限公司 漢中飛機分公司，陜西 漢中723000）

0 引言

飛機結構損傷容限/耐久性設計是為滿足長壽命、 高可靠性和可檢性要求發展起來的綜合技術，是飛機結構長壽命、高可靠性、低維修成本的重要保證。損傷容限作為疲勞損傷、機械損傷、意外損傷和離散源損傷的安全性問題的基本設計準則，意圖是通過設計、工藝及質量控制和結構檢查維修，充分發揮結構潛力，避免飛機在整個使用壽命期內發生災難性結構破壞，全面滿足各項規范、機體結構總壽命和檢修周期的要求。

1 損傷的分類

飛機結構中的損傷或缺陷可以分為兩類：

1）來自加工制造、裝配工藝等過程中造成的損傷，以及使用過程中各種腐蝕環境、疲勞載荷和離散載荷造成的損傷。 這類損傷主要集中于結構表面。損傷容限設計主要是針對這類損傷通過損傷容限評定來確保結構在使用期內的安全。

2）另一類是由于冶金、鍛造等材料生產過程中造成的。 這一類損傷多出現在結構內部，只能通過定期的多次損傷檢查和監控并及時修理來確保結構的安全。

結構中存在的損傷在使用中都可能逐漸擴展，都可能導致結構發生災難性破壞。 因此把整體壁板結構設計成能承受定量損傷，并能實施檢查維修計劃的的損傷容限結構，是提高和確保飛機安全水平的有效途徑。

2 整體壁板的優缺點

現代飛機結構普遍設置有整體壁板，優點是采用整體壁板可以改善飛機性能，減輕結構重量，減少制造裝配工作量。其缺點就是整體壁板出現裂紋時止裂性能比鉚接壁板差。

3 整體壁板的損傷容限設計

無論是鉚接式還是整體式結構壁板， 壁板的連接都是關鍵問題，要改善結構的抗疲勞性能，實現長壽命、高可靠性，應根據壁板的使用環境選擇合理的結構形式和對接形式，采取降低設計應力水平、防止應力集中、選用過盈緊固件等方式，使整體壁板能夠達到預定的重量、經濟、可靠性等指標。

為滿足損傷容限設計要求，機身整體壁板應合理分塊。 壁板上的橫向、縱向加強筋、蒙皮、連接角材整體機加，拉彎成型、噴丸強化；壁板與壁板之間采用過渡搭接。

整體壁板的合理分塊能有效地提高整體壁板的止裂能力，符合傷容限設計要求。

4 整體壁板損傷容限設計中應用的一些關鍵技術

4.1 擘板設計

整體鼙板結構形式的確定、壁板分塊、應力控制，材料的選取，壁板數的控加工、壓彎成型、噴丸強化是整體壁板實際制造過程中的關鍵技術。

整體壁板選用大型機加壁板，將橫向、縱向加強筋、蒙皮、連接角材設計為—個整體，減輕了結構重量、增加結構的使用壽命。

整體壁板相對鉚接壁板具有其獨特的優點， 可大大提高結構效率，降低結構重量，保證結構的完整性，改善壁板裝配的工藝性，減少制造裝配工序，減少連接件和零件數量。減少了連接件和零件數量，也就減少了飛機各部分連接處的應力集中孔，減少了結構中存在的疲勞源，減少產生裂紋的機會，從而提高結構疲勞壽命，保證飛機結構的安全性和可靠性，縮短制造周期，降低制造成本。但整體壁板結構也存在壁板產生裂紋時止裂性能比鉚接壁板差的問題。 因此，在用整體壁板代替組合壁板時，要進行科學嚴謹的考慮與設計，要對整體壁板進行充分的疲勞和損傷容限計算、分析和試驗研究，充分了解和掌握整體壁板的裂紋擴展特性，同時還應研究和制定出針對整體壁板的止裂方法，以確保飛機的使用安全。

4.2 過盈連接

過盈連接緊固件是整體壁板連接的主要形式，因其合適的干涉配合狀態，大大地提高了被連接件的疲勞壽命。

該方式滿足壁板連接要求，生產制造工藝簡單。另外，過盈密封連接螺栓使用專用的機械設備將螺栓拉入孔中，避免了普通標準件必須用手錘和鉚槍將其打入孔中，防止打擊螺栓頭根部R 區可能產生的疲勞裂紋。

大量采用過盈螺栓和過盈鉚釘連接，能延緩孔邊裂紋的出現。 為了提高飛機整體壁板的疲勞壽命， 提高連接件與連接孔之間的密封性，降低結構重量，充分發揮新技術的優勢和特點，就有必要使充分了解該技術的特點、設計方法和關鍵環節，掌握過盈連接結構的疲勞、損傷容限分析方法，連接件孔邊的應力分布規律和計算方法，連接件孔強化機理、強化效果的評價、強化效果隨時間的變化規律以及過盈連接對整體壁板疲勞壽命和損傷容限特性影響。

5 總結

綜上所述，飛機整體壁板結構應用損傷容限設計要求，能有效提高飛機結構的使用壽命和安全水平。

［1］載荷、強度、剛度.飛機設計手冊（第9 冊）[M].航空工業出版社.