某飛機前錐梁腹板裂紋的結構修理

某飛機前錐梁腹板裂紋的結構修理

對于某小型活塞飛機，飛行小時超過10000以后，接連發生幾起機頭左錐梁的腹板裂紋的結構故障，裂紋可長達15mm，位于前起落架可折撐桿安裝支板后下部螺栓孔處，如圖1所示。

該型飛機為全金屬半硬殼式機身結構，機頭錐梁是重要的承力結構件，梁緣條承受機身彎曲時所產生的拉力和壓力及起落架的集中載荷，錐梁腹板由薄板制成，主要承受剪力。梁腹板裂紋嚴重影響機身結構安全，為了盡快恢復損傷飛機的適航，采用合理有效的結構修理方式至關重要。本文提出了一種對腹板加強襯補的修理方式，可供通航單位進行探討與選擇。

本文介紹結構修理方案設計的相關準則，并依此進行各結構修理參數的確定，提出錐梁腹板裂紋修復方案。

加強修補形式

在氣動力敏感區域，盡量采用內部補貼修理或表面鑲平修理；在機翼、尾翼的前緣部位，靜壓口和迎角傳感器附加區域，采用表面鑲平修理或者內部補貼修理形式。否則會增加飛行阻力影響氣動外形。當損傷涉及多個構件時，應采用分別加補的修理方案；如果采用切割修理，各構件不應該在同一位置切割，這樣可以降低硬點效應。當長桁或緣條存在裂紋損傷時，通常采用消除裂紋的挖補或者切割修補形式。對于蒙皮或腹板結構的裂紋損傷，最好采用挖補修理。

針對本案例中較長的腹板裂紋，不能采用鉆止裂孔的方式，故采用切割挖補修理的方式消除裂紋，因腹板上安裝的前起落架可折撐桿安裝支板用于安裝前起落架，修理方式不能變更起落架的安裝位置，所以必須采用內部補貼的結構修理方式。

圖1　某小型飛機前錐梁腹板裂紋的結構修理方法探討

加強件的厚度

修理蒙皮時，盡可能將修理加強件材料厚度限制在比損傷件結構材料的厚度厚一級或二級；而修理薄壁桿件（如長桁、緣條等）時，如原結構件為鋁銅合金（如2024-T3擠壓型材），則補強件的厚度應加大25%；如果是鋁鋅合金（如7075-T6擠壓型材），則補強件厚度應該加大35%。這樣可以降低硬點效應以提高修理區域結構的疲勞壽命。不應該過分加強修理區，不是加補的厚度約厚約好，否則會使其成為過硬區，增加其所受應力水平，進而降低該區域的耐久性，即會明顯降低修理區域的疲勞強度。試驗證明，若原板厚度為0.036 in，加強件厚度為0.04 in，相當壽命為1，則將加強件厚度增加到0.072 in之后，相對壽命為0.65，疲勞壽命降低了35%。

對于本案例中的輕型鋁合金結構飛機，通常采取和損傷腹板相同厚度的鋁合金制作補片。

加強件的材料

盡量采用與原損傷件材料相同的加強修補件。外補修理盡可能使用與原結構件材料和熱處理狀態相同的鋁合金加強件，最好不要使用材料為鋼的加強件。選用鋁合金加強件不僅可以選擇從外部進行低頻渦流檢查，還可以避免不同類材料接觸導致結構電化腐蝕。

對于本案例，選用和原梁腹板相同材料的鋁合金制作補片。

補片的形狀和尺寸

補片的形狀應該根據被加強件的形狀確定，一般采用四角形補片和圓形補片。要注意不要使補片的形狀太特殊，補片形狀發生變化處，要有足夠的圓角半徑。

圖2　緊固件排列不當導致的靜強度失效

圖3　錐梁腹板切割位置示意圖

圖4　錐梁腹板修理示意圖

緊固件的邊距和間距

在補片上排列緊固件時，要考慮到其邊距和間距要求，避免與緊固件間距和邊距相關的結構件靜強度失效。與緊固件間距和邊距相關的結構件靜強度失效模式有結構件拉伸失效、結構件剪切失效以及結構件失穩。由于緊固件孔的應力集中效應，緊固件間距和邊距還嚴重影響到結構件的疲勞壽命。因此，正確的緊固件邊距和間距是防止結構疲勞破壞和靜強度破壞的關鍵。

在修理中，需要在補片連接結構上增加緊固件。必須保證新增加的緊固件孔之間以及與原緊固件孔之間的邊距和間距合適。一般情況下，保證緊固件4D到6D的間距和2D到2.5D的邊距可以滿足結構修理靜強度和疲勞強度的要求。但是在實際的結構修理中，由于原結構件的長度和寬度限制，可能不能滿足4D到6D的間距和2D到2.5D的邊距要求。為了降低結構修理的成本并保證結構修理的安全，可以根據實際情況以及結構修理緊固件孔間距和邊距的原則要求排列補片上要安裝的緊固件，此時的緊固件間距和邊距要求可以參照下面的方法確定：

確定最大間距

緊固件有兩種排列方式：交錯排列和平行排列。交錯排列一般用于需要進行液體或者氣體密封的結構，例如油糟邊界結構。這是因為油糟密封膠在飛機巡航高度對應的低溫氣候環境中的彈性會大大降低，需要用緊固件的交錯排列來增加油箱的密封性能。交錯排列與平行排列方式對應的緊固件最大間距不同。一般來說，交錯排列的列距以及平行排列的列距最大不能超過6D。對于鉚釘來說，交錯排列的行距不能超過3.5D。對于鋼或者鈦合金HI-LOK或者其他螺桿，交錯排列的行距不能超過4.5D。

確定最小間距

緊固件最小間距分為最小行距和最小列距.緊固件的列距小于極限最小值后，會導致結構修理的結構件拉伸失效。緊固件的列距過小還會降低修理區域結構的疲勞壽命。緊固件孔之間的行距小于要求的最小行距時，緊固件孔之間的結構件會發生剪切失效。對于平行排列的緊固件，最小行距Lmin可以按下列公式進行計算：

Lmin=P/（2σ）+0.766D

式中，σ是結構材料剪切極限強度；Lmin是最小行距；D是緊固件孔平均直徑；P是單顆緊固件連接強度。

一般來說，對于平行排列的緊固件，如果行距不小于3D，可以避免結構緊固件孔之間的剪切失效，對于交錯排列的緊固件，最小行距等于2D。

確定邊距

緊固件邊距指緊固件孔到結構件邊緣的距離。緊固件邊距分為兩種：與載荷方向垂直的間距；與載荷方向平行的邊距。對于與載荷方向垂直的邊距，緊固件孔會在與載荷方向垂直的結構件中產生應力集中區域為了避免應力集中區域影響到結構件邊緣的耐久性，對于疲勞敏感的結構件，要求緊固件孔的最小邊距為2.5D。對于其他結構要求，緊固件孔的最小邊距為2.0D。對于與載荷方向平行的最小邊距可以按照下列公式進行計算：

Lmin=P/（2σ）+0.383D

式中，σ是結構材料剪切極限強度；Lmin是最小邊距；D是緊固件孔平均直徑；P是單顆緊固件連接強度。

錐梁腹板裂紋修復方案

沿圖3所示切割線切割左錐梁腹板。對腹板切割處進行防腐處理。

參照圖4所示位置和尺寸切下的腹板裂紋片段，使用0.032inch厚的2024-T3 Alclad覆鋁鋁合金板按圖示位置和尺寸制作腹板補片和修理補片，并為補片導圓角，進行防腐處理。

蘸取環氧脂底漆濕鉚接腹板補片和補片，使用與原鉚釘相同型號和大小的鉚釘鉚接舊孔，使用MS20470AD4鉚釘鉚接新鉚釘孔。使用與原鉚釘同型號同大小的鉚釘鉚接艙門扭力管左側支架。確保新鉚釘的間距、邊距符合標準。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.013