基于有限元分析的航空器維修模式初探

陳俊逸

（深圳航空有限責(zé)任公司維修工程部結(jié)構(gòu)修理車間，廣東 深圳 518128）

基于有限元分析的航空器維修模式初探

陳俊逸

（深圳航空有限責(zé)任公司維修工程部結(jié)構(gòu)修理車間，廣東 深圳 518128）

有限元分析與航空器修理工作的有益結(jié)合能幫助現(xiàn)場工程師綜合分析與優(yōu)化現(xiàn)場修理工作。本文通過對實際修理問題的建模和仿真分析完成對修理工作及部件的優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出該維修模式的特點與目前存在的問題，提出未來有限元與航空器修理有益融合的雙贏平臺模式。

有限元；航空器；民航維修；雙贏模式

隨著科技的發(fā)展，有限元分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用到航空航天器械設(shè)計領(lǐng)域，許多大型成熟的商業(yè)軟件亦能實現(xiàn)各式各樣的仿真與分析，直接降低了科研項目的成本經(jīng)費(fèi)并獲得一線工程技術(shù)人員的青睞。近年，有限元分析與航空器結(jié)構(gòu)修理乃至整機(jī)修理的結(jié)合成為全球各大航空器OEM、MRO、大修基地及維修機(jī)庫在進(jìn)行航空器修理工作過程中探索的又一亮點。

現(xiàn)代專業(yè)有限元分析軟件通過對單元類型、有限元分析理論及各類有限元方程解法的不斷整合與優(yōu)化，努力讓工程技術(shù)人員從紛繁復(fù)雜的計算問題中解脫出來，使現(xiàn)場問題與有限元分析更易融合。對于航空器維修現(xiàn)場而言，工程師僅需掌握受損結(jié)構(gòu)件及修理加強(qiáng)后組件的建模仿真分析技能，便可根據(jù)需要完成某項修理工作的可靠性綜合分析或?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化，整體分析工作目標(biāo)明確且操作起來更便捷有效。

1 有限元分析技術(shù)的引入

有限元方法集多學(xué)科理論知識于一體并有其獨特的理論基礎(chǔ)和計算方法，其基本邏輯是將求解域離散成許多小的有限元互連子域，并對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，再進(jìn)行推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)平衡條件），從而得到問題的解。航空器結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜多變，應(yīng)用有限元分析方法將實際問題轉(zhuǎn)化為能夠表示實際連續(xù)域的離散單元集合，通過高精度數(shù)值計算完成對部件模型的仿真分析，從而提取部件或加強(qiáng)件的綜合數(shù)據(jù)來指導(dǎo)實際修理工作過程。

例如在很多的航空器雷達(dá)罩抗鳥擊設(shè)計過程中，應(yīng)用有限元分析軟件完成雷達(dá)罩鳥擊這一瞬時高度非線性沖擊動力學(xué)仿真過程，來不斷優(yōu)化雷達(dá)罩的抗鳥撞性能，從而節(jié)省實驗費(fèi)用，同時亦提高整體研開發(fā)效率。

2 航空器修理與有限元的有益結(jié)合

航空器在役期間由于候鳥遷徙、跑道沙石FOD、冰雹襲擊、雷擊等原因都將導(dǎo)致突發(fā)性的結(jié)構(gòu)損傷，此類損傷往往具有小區(qū)域及單獨部件受損的特點。例如：縫翼前緣鳥擊產(chǎn)生的凹坑、后緣襟翼FOD造成的彈坑、水平安定面前緣鳥擊造成的凹坑、結(jié)構(gòu)腐蝕等損傷。此類非計劃性的損傷一般局限于單個部件中，所以在航空器結(jié)構(gòu)部件的建模分析過程中無需像整機(jī)研開發(fā)那樣考究更為紛繁的整體綜合建模問題，可以針對性的就受損部位或部件進(jìn)行單獨建模，并對局部受損修理問題展開可靠性及強(qiáng)度等分析即可達(dá)到減少計算量并對修理工作優(yōu)化的目的。工程人員可以選擇自己熟悉的一款3D軟件完成部件的特征建模，再生成有限元分析軟件的所需的圖形文件進(jìn)行導(dǎo)入，便可根據(jù)需要獲得修理部件的仿真數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)問題并對修理措施進(jìn)行優(yōu)化，使修理獲得更精確的理論數(shù)據(jù)支持，最終獲得部件可靠性更高的維修方案與結(jié)果。

3 應(yīng)用實例

利用有限元分析軟件能幫助現(xiàn)場工程技術(shù)人員更綜合的考慮和發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場問題，并對具體的修理措施進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 空客A320后緣襟翼前緣修理分析

空客A320后緣襟翼前緣由碳纖維制成，受飛機(jī)起降氣流影響FOD撞擊穿孔是該部件常見的損傷；根據(jù)空客SRM修理手冊該部件在容傷可修范圍內(nèi)有兩種修理方式（圖1、2）：鋁合金鈑鉚加強(qiáng)和預(yù)浸料纖維織物鋪層修理，兩種修理方式的優(yōu)劣就可以通過有限元仿真來獲取（僅以等速壓變形及固有頻率分析為例，數(shù)據(jù)見表1。

通過對兩種修理方式的特征建模仿真可以直觀的知道兩者的優(yōu)劣，其中鈑鉚形式具有快捷便利的特點，但其修理強(qiáng)度及固有頻率（抗震）卻不及預(yù)浸料修理的效果。

圖1 鈑鉚修理0.1MPa速壓變形云圖

圖2 預(yù)浸料修理0.1MPa速壓變形云圖

表1 Hz

3.2 搭接處鉚接優(yōu)化

航空器結(jié)構(gòu)大量使用到鈑鉚工藝，但鈑鉚質(zhì)量的好壞直接影響部件的整體性能與耐久性；通過有限元建模分析可以在執(zhí)行維修工作前發(fā)現(xiàn)修理工作的隱患缺陷從而進(jìn)行針對性的優(yōu)化，如圖3所示發(fā)動機(jī)某處鈑鉚搭接處的建模分析。

圖3 鈑鉚搭接處簡化建模分析

通過對簡化模型加載并對鉚釘1和2中心剖開，發(fā)現(xiàn)其中最大應(yīng)力為412．5MPa，已超出鈑件的屈服應(yīng)力355MPa，并發(fā)現(xiàn)造成原始損傷的開裂原因；對3、4鉚釘進(jìn)行同樣剖面分析卻發(fā)現(xiàn)其中心最大應(yīng)力為299MPa，能滿使用設(shè)計要求（圖4）。針對此問題，可以通過將鉚釘1和2內(nèi)控的尺寸減少或是將外孔的尺寸增加以減少鉚釘中的最大應(yīng)力，增加部件的耐久性。

圖4 鉚釘中心應(yīng)力圖

通過上述例子知道有限元分析有助于航空器維修現(xiàn)場的工程問題分析從而做出合理的工作安排；同時有限元分析還能能發(fā)現(xiàn)局部的設(shè)計缺陷進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化延長部件的耐久性和經(jīng)濟(jì)性。

4 融合模式及展望

有限元分析方法對于航空維修工作是十分有效且省時省力的分析手段，就維修工作與有限元融合而言亦有著其自身的特點。

（1）飛機(jī)自身設(shè)計的安全性能及容傷裕度足以確保單獨部件修理過程中簡化模型有限元分析高度概括性的可靠程度；

（2）修理模型簡化的方法既取決于結(jié)構(gòu)的特點，而又受制于整體強(qiáng)度校核方法的要求（滿足原始設(shè)計要求）；

（3）修理模型的針對性更強(qiáng)，對局部分析更清晰；優(yōu)化的結(jié)果針對性更強(qiáng)；

（4）模型簡化對分析人員的經(jīng)驗與技能提出了更高的要求，也嚴(yán)重地制約了有限元分析的推廣；

（5）非典型修理結(jié)構(gòu)的有限元簡化模型存在不確定性；

（6）線性分析難以滿足航空器高度復(fù)雜受力分析。

結(jié)合以上特點及未來航空器修理工作的發(fā)展，未來航空器有限元分析工作的框架將如圖5所示。通過航空器生產(chǎn)商完成并提供整機(jī)有限元模型庫（航空器生產(chǎn)商在航空器研發(fā)階段已大量使用到有限元分析模型），已提供更精準(zhǔn)的邊界條件、細(xì)節(jié)特征及原始設(shè)計參數(shù)等；現(xiàn)場維修工作人員僅需根據(jù)實際受損部件件號找到對應(yīng)的局部子模型并對修理工作進(jìn)行需要的非線性分析與優(yōu)化，再通過回裝全機(jī)有限元模型仿真驗證，進(jìn)一步確認(rèn)修理工作后部件的修理強(qiáng)度結(jié)果；最終實際修理工作獲得理論的支持，更大程度提升航空器修理工作的可靠性與安全性。

同時通過將相關(guān)數(shù)據(jù)的共享，生產(chǎn)商亦能收集和獲取航空器初期設(shè)計的局部問題與優(yōu)化方案，從而節(jié)省了該項目的二次開發(fā)的部分經(jīng)費(fèi)。

圖5 整機(jī)有限元模型庫應(yīng)用

5 結(jié)語

有限元分析與航空器修理工作是一項有益的融合，本文通過有限元分析簡介和實際修理分析的應(yīng)用證明有限元分析能夠發(fā)現(xiàn)并完善航空器修理現(xiàn)場的細(xì)微問題，并提供優(yōu)化設(shè)計工作的仿真結(jié)果，為實際優(yōu)化修理工作提供數(shù)據(jù)支持，理論聯(lián)系實際的提升整體修理工作的安全性與可靠性。同時，文章對有限元分析與航空器修理融合的特征與問題進(jìn)行了歸納整理，并在此基礎(chǔ)上提出一種兩者未來有效融合的維修模式；基于有限元分析的航空器修理模式的普及不但是生產(chǎn)廠家與維修現(xiàn)場進(jìn)一步聯(lián)合共贏的發(fā)展平臺，更是未來發(fā)展的趨勢。

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