A320 系列飛機(jī)后貨艙門檻水平腹板更換件的設(shè)計(jì)及適航符合性驗(yàn)證分析

倪澤軍

(北京飛機(jī)維修工程有限公司西南維修工程服務(wù)部,四川 成都 610201)

1 背景情況

現(xiàn)代客機(jī)中,門(客艙門、貨艙門等)開口區(qū)域不銹鋼/鈦合金門檻保護(hù)板下面的水平腹板,經(jīng)常由于腐蝕損傷需要更換。

從空客等OEM廠家購買更換件一方面價(jià)格不菲,另一方面有時(shí)候到貨周期可能比較長,所以通常需要自制加工更換件。自制加工更換件的難題在于減輕孔翻邊的處理,用翻邊的方法增加減輕孔腹板的剛度和穩(wěn)定性是一種適合飛機(jī)制造廠家批量生產(chǎn)的簡單且低成本的制作方法,借助大型沖壓機(jī)床在O 狀態(tài)成型后熱處理至T42 狀態(tài)。在飛機(jī)維修企業(yè)中,大型的沖壓設(shè)備、模具、熱處理設(shè)備都是很昂貴的固定資產(chǎn)投資,按照飛機(jī)制造廠家的制作方法加工每次只用一件的更換件就變得很不經(jīng)濟(jì)。所以,有必要設(shè)計(jì)更適宜于航空維修企業(yè)的更換件。

2 基本的設(shè)計(jì)思路

對A320S 飛機(jī)的后貨艙門檻的水平腹板,除了下述三個(gè)區(qū)別外,按照空客的OEM 圖紙制作新的腹板更換：(1)將腹板兩端的4 個(gè)140mm 直徑減輕孔開口的加強(qiáng)方式從90 度翻邊更改為用環(huán)形加強(qiáng)板加強(qiáng)。(2)因?yàn)椴恍枰贠 狀態(tài)翻邊成型,使用鋁板出產(chǎn)廠家熱處理并自然時(shí)效的CLAD 2024-T3 鋁板代替OEM廠家從鋁板制造廠家采購CLAD 2024-O 鋁板,翻遍成型后自行熱處理并自然時(shí)效至T42 狀態(tài),即使用機(jī)械性能更好的CLAD 2024-T3 鋁板代替CLAD 2024-T42 鋁板。(3)表面保護(hù)涂層,采用阿洛丁+漆層防護(hù)系統(tǒng)代替OEM 廠家的陽極化+漆層防護(hù)系統(tǒng)。

3 環(huán)形加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)

因?yàn)樵瓘S腹板材料為1.6mm(0.063 英寸)厚度CLAD 2024-O 鋁板,制作成型后熱處理至T42狀態(tài)。自制的更換腹板采用相同材料的1.6mm(0.063 英寸)厚度CLAD 2024-T3 鋁板,所以,用于減輕孔加強(qiáng)的環(huán)形加強(qiáng)板也采用1.6mm(0.063英寸)厚度CLAD 2024-T3 鋁板,內(nèi)徑和原廠腹板的減輕孔直徑一樣,為140mm,外徑匹配飛機(jī)上的安裝空間,為180-184mm。環(huán)形加強(qiáng)板用常用的埋頭鉚釘NAS1097AD5*安裝,鉚釘保證不小于2D 的邊距,4-6D 的間距,即使用24 顆鉚釘,平均分布。

4 自制件更換的修理方案

4.1 按照SRM51-42-11 拆下連接損傷的腹板的緊固件,按照SRM51-72-11 拆下?lián)p傷的腹板,清潔修理區(qū)域。

4.2 忽略腹板兩側(cè)的4 個(gè)140mm 直徑減輕孔的翻邊,以拆下的舊件為模板,或者按照OEM 圖紙D53475565,用1.6mm(0.063 英寸)厚度的CLAD 2024-T3 鋁板制作新的腹板。

4.3 按照圖1,用1.6mm(0.063 英寸)厚度CLAD 2024-T3鋁板制作4 件減輕孔環(huán)形加強(qiáng)板(每個(gè)帶翻邊的減輕孔各一件)。

4.4 如圖1 所示,按照SRM51-44-11 對新的腹板和環(huán)形加強(qiáng)板配鉆安裝加強(qiáng)板的緊固件孔。

圖1 環(huán)形加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)安裝示意圖

4.5 對新的腹板,按照SRM51-44-11 制作安裝用緊固件孔,緊固件采用和OEM 相同的緊固件。緊固件的替代參見SRM51-43-00。

表1 材料替換系數(shù)

表2 材料機(jī)械性能比較

4.6 按照SRM51-46-11 對緊固件孔制作埋頭窩。

4.7 對新的腹板和4 件減輕孔環(huán)形加強(qiáng)板去除銳邊和毛刺等輕微缺陷。

4.8 按照SRM51-21-11, 對新的腹板和4 件減輕孔環(huán)形加強(qiáng)板作阿洛丁-1200(Material No.10ABC1)處理。

4.9 按照SRM51-23-11, 對新的腹板和4 件減輕孔環(huán)形加強(qiáng)板涂兩層結(jié)構(gòu)環(huán)氧底漆(Material No. 04DAB2 或等效)+一層面漆(Material No.04JME4)或等效。

4.10 參照PMS01-06-12,使用不褪色墨水筆(或漏字模),對新的腹板標(biāo)記件號(hào)：RBS202003X-1; 對4 件減輕孔環(huán)形加強(qiáng)板標(biāo)記件號(hào)RBS202003X-2。

4.11 清潔修理區(qū)域,按照NTM51-90-00,仔細(xì)目視檢查修理區(qū)域區(qū)域結(jié)構(gòu),確信無其他損傷。

4.12 按需對修理區(qū)域結(jié)構(gòu)補(bǔ)漆(wash primer Material No.04CMA2+MaterialNo.04DAB2 或 MaterialNo.04EAC2 或等效)。

4.13 接觸面涂防腐密封膠Material No. 06AAA1, 按照FIGURE2 安裝4 件減輕孔環(huán)形加強(qiáng)板,緊固件的安裝參見SRM51-42-11。

4.14 接觸面涂防腐密封膠Material No. 06AAA1,安裝新的腹板,緊固件的安裝參見SRM51-42-11。

5 審定基礎(chǔ)- 適用的適航法規(guī)

25.301:載荷；25.303：安全系數(shù)；25.305：強(qiáng)度及變形；25.307：結(jié)構(gòu)符合性的證明；25.571：結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定；25.601：設(shè)計(jì)與構(gòu)造總則；25.603：材料；25.605：制造方法；25.607：緊固件；25.609：結(jié)構(gòu)保護(hù)；25.611：可達(dá)性措施；25.613：材料的強(qiáng)度性能和材料的設(shè)計(jì)值；26.43(d):老齡飛機(jī)安全,修理和改裝的損傷容限資料。

6 自制件腹板整體(不考慮減輕孔翻邊)設(shè)計(jì)符合性分析簡述

在不考慮減輕孔的加強(qiáng)方式時(shí),自制件和OEM原件的構(gòu)型、尺寸完全相同,材料由CLAD 2024-T42 鋁板更換為相同厚度的CLAD 2024-T3 鋁板。其設(shè)計(jì)符合性可以從SRM手冊和載荷計(jì)算兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證分析。

6.1 SRM手冊允許的材料替換

根據(jù)SRM51-71-12 Table 004,允許使用CLAD2024-T3 替換OEM CLAD2024-T42,且替換系數(shù)為1.0。(表1)

6.2 載荷計(jì)算

根據(jù)SRM51-70-11 Table 003：(表2)

記OEM 件的安全裕度為MS.OEM, 記修理用更換件的安全裕度為MS.REP, 記OEM設(shè)計(jì)的極限載荷應(yīng)力為fult,限制載荷應(yīng)力為flimit,則在相同的設(shè)計(jì)極限載荷下：

MS.OEM=(FTU.OEM/fult)-1

MS.REP=(FTU.REP/fult)-1

fult=FTU.OEM/(1+ MS.OEM)

fult=FTU.REP/(1+ MS.REP)

FTU.OEM/(1+ MS.OEM)= FTU.REP/(1+ MS.REP)

MS.REP=(FTU.REP/ FTU.OEM)* MS.OEM+(FTU.REP/ FTU.OEM-1)

即MS.REP.ULT=(FTU.REP/ FTU.OEM)* MS.OEM.ULT+(FTU.REP/FTU.OEM-1)=420/405* MS.OEM.ULT+420/405-1=1.037 MS.OEM.ULT+0.037>0

同理,在限制載荷下：

MS.REP.LIMIT=(FTY.REP/ FTY.OEM)* MS.OEM.LIMIT+(FTY.REP/FTY.OEM-1)=310/240*MS.OEM.LIMIT+ (310/240-1)=1.29 MS.OEM.LIMIT+0.29>0

同時(shí)考慮極限和限制載荷, FDU=FTU和1.5 倍FTY中的較小值：

MS.REP.綜合=(FDU.REP/ FDU.OEM)* MS.OEM.綜合+(FDU.REP/ FDU.OEM-1)=420/360* MS.OEM. 綜合+(420/360-1)=1.17 MS.OEM.綜合+0.17>0

安全裕度MS 始終為正值,所以,靜強(qiáng)度條件下,修理用更換件代替OEM件是可行的。

7 減輕孔加強(qiáng)方式的設(shè)計(jì)符合性分析簡述

7.1 分析邏輯

翻邊和環(huán)形加強(qiáng)板都是參考資料[1]第13 章所述的剪切梁剪切腹板的減輕孔加強(qiáng)方式之一,利用參考資料[1]第13 章的理論和反工程的分析方法,計(jì)算出OEM原件減輕孔翻邊的平均應(yīng)力水平,再利用參考資料[1]第13 章的理論和環(huán)形加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)構(gòu)型,校核環(huán)形加強(qiáng)板加強(qiáng)后加強(qiáng)孔的局部應(yīng)力水平,保證更換件比OEM原件具有更好的承載能力和損傷容限能力。

7.2 OEM原件減輕孔翻邊的局部應(yīng)力水平計(jì)算

參見圖2-OEM 原件構(gòu)型,根據(jù)OEM 圖紙D53475565,b=266.7mm, D=140mm, he=247mm,t=1.6mm

則he/t=154, b/t=166, D/he=0.56, D/b=0.52

查參考資料[1]第13 章圖13.2.3 得：F0=7500lb/in2, 且K1=0.51

根據(jù)參考資料[1]第13 章式13.2.1,設(shè)計(jì)許用剪應(yīng)力FS=K1F0=0.51*7500=3825 lb/in2

根據(jù)參考資料[1]第13 章式13.2.2,設(shè)計(jì)許用剪流qall=K1F0t=0.51*7500*0.63=3825*0.063=241 lb/in

即OEM件在翻邊開口處設(shè)計(jì)的剪流q 為241 lb/in。

圖2 OEM 原件構(gòu)型

7.3 自制件用環(huán)形加強(qiáng)板加強(qiáng)后減輕孔區(qū)域的局部應(yīng)力水平校核

環(huán)形加強(qiáng)板的厚度tR=1.6mm (0.063in), 環(huán)形加強(qiáng)板的寬度W=22mm(0.87in),腹板厚度tW=1.6mm(0.063in),前面計(jì)算出的剪流q=241lb/in.

根據(jù)參考資料[1]第13 章式13.4.1 和圖13.4.3,切線之間的鉚釘排列形式,每英寸寬度鉚釘傳遞的載荷qR=2*q*tR/(tR+0.8tW)=2*241*0.063/(0.063+0.8*.063)=267.8lb/in

孔的直徑D=140mm=5.5in, 所以,作用在鉚釘上的總載荷PR=267.8*5.5=1476lb

根 據(jù) SRM51-70-13, Table 009, 在 1.6mm 厚 度CLAD2024-T3 鋁板中安裝NAS1097AD5 鉚釘?shù)膯渭粼S用擠壓載荷為2273N,單剪許用剪切載荷為2650N。

根 據(jù) SRM51-70-13, Table 010, 在 1.6mm 厚 度CLAD2024-T42 鋁板中安裝NAS1097AD5 鉚釘?shù)膯渭粼S用擠壓載荷為2273N,單剪許用剪切載荷為2650N。

所以,本連接的緊固件臨界許用載荷Ps,all 為2273N=511.0 lbf。

板的許用擠壓載荷Pb,all=FBRU*D*t, 由于緊固件濕安裝,取80%的擠壓縮減系數(shù),

所以Pb,all=80%*FBRU*D*t=80%*500MPA*4.0mm*1.6mm=80%*500*145psi*0.16in.*0.63in.=584.64 lbf

所以,本連接的臨界許用載荷為Ps,all=511.0 lbf。

如圖1 所示,當(dāng)內(nèi)徑為140mm,鉚釘中心線直徑為164mm,使用24 顆鉚釘均布時(shí),環(huán)形加強(qiáng)板兩切線之間鉚釘?shù)目倲?shù)n=8

所以安全裕度MS=n*Ps,all/PR-1=8*511/1476-1=1.77>0,滿足要求。

8 結(jié)論

綜上所述：除了用環(huán)形加強(qiáng)板代替孔翻邊的減輕孔加強(qiáng)方式外,以O(shè)EM 舊件為模板,用相同材料和厚度的1.6mm(0.063英寸)CLAD 2024-T3 鋁板代替CLAD 2024-O 熱處理至T42鋁板制作A320S 飛機(jī)后貨艙下門檻水平腹板進(jìn)行更換是滿足適航要求的。