损伤容限技术在整体壁板设计中的应用

2013-08-15曹红伟石鹏飞何红芳

山东工业技术 2013年15期

胡斌曹红伟石鹏飞何红芳张芸

（中航工业股份有限公司汉中飞机分公司，陕西汉中723000）

0 引言

飞机结构损伤容限/耐久性设计是为满足长寿命、高可靠性和可检性要求发展起来的综合技术，是飞机结构长寿命、高可靠性、低维修成本的重要保证。损伤容限作为疲劳损伤、机械损伤、意外损伤和离散源损伤的安全性问题的基本设计准则，意图是通过设计、工艺及质量控制和结构检查维修，充分发挥结构潜力，避免飞机在整个使用寿命期内发生灾难性结构破坏，全面满足各项规范、机体结构总寿命和检修周期的要求。

1 损伤的分类

飞机结构中的损伤或缺陷可以分为两类：

1）来自加工制造、装配工艺等过程中造成的损伤，以及使用过程中各种腐蚀环境、疲劳载荷和离散载荷造成的损伤。这类损伤主要集中于结构表面。损伤容限设计主要是针对这类损伤通过损伤容限评定来确保结构在使用期内的安全。

2）另一类是由于冶金、锻造等材料生产过程中造成的。这一类损伤多出现在结构内部，只能通过定期的多次损伤检查和监控并及时修理来确保结构的安全。

结构中存在的损伤在使用中都可能逐渐扩展，都可能导致结构发生灾难性破坏。因此把整体壁板结构设计成能承受定量损伤，并能实施检查维修计划的的损伤容限结构，是提高和确保飞机安全水平的有效途径。

2 整体壁板的优缺点

现代飞机结构普遍设置有整体壁板，优点是采用整体壁板可以改善飞机性能，减轻结构重量，减少制造装配工作量。其缺点就是整体壁板出现裂纹时止裂性能比铆接壁板差。

3 整体壁板的损伤容限设计

无论是铆接式还是整体式结构壁板，壁板的连接都是关键问题，要改善结构的抗疲劳性能，实现长寿命、高可靠性，应根据壁板的使用环境选择合理的结构形式和对接形式，采取降低设计应力水平、防止应力集中、选用过盈紧固件等方式，使整体壁板能够达到预定的重量、经济、可靠性等指标。

为满足损伤容限设计要求，机身整体壁板应合理分块。壁板上的横向、纵向加强筋、蒙皮、连接角材整体机加，拉弯成型、喷丸强化；壁板与壁板之间采用过渡搭接。

整体壁板的合理分块能有效地提高整体壁板的止裂能力，符合伤容限设计要求。

4 整体壁板损伤容限设计中应用的一些关键技术

4.1 擘板设计

整体鼙板结构形式的确定、壁板分块、应力控制，材料的选取，壁板数的控加工、压弯成型、喷丸强化是整体壁板实际制造过程中的关键技术。

整体壁板选用大型机加壁板，将横向、纵向加强筋、蒙皮、连接角材设计为—个整体，减轻了结构重量、增加结构的使用寿命。

整体壁板相对铆接壁板具有其独特的优点，可大大提高结构效率，降低结构重量，保证结构的完整性，改善壁板装配的工艺性，减少制造装配工序，减少连接件和零件数量。减少了连接件和零件数量，也就减少了飞机各部分连接处的应力集中孔，减少了结构中存在的疲劳源，减少产生裂纹的机会，从而提高结构疲劳寿命，保证飞机结构的安全性和可靠性，缩短制造周期，降低制造成本。但整体壁板结构也存在壁板产生裂纹时止裂性能比铆接壁板差的问题。因此，在用整体壁板代替组合壁板时，要进行科学严谨的考虑与设计，要对整体壁板进行充分的疲劳和损伤容限计算、分析和试验研究，充分了解和掌握整体壁板的裂纹扩展特性，同时还应研究和制定出针对整体壁板的止裂方法，以确保飞机的使用安全。

4.2 过盈连接

过盈连接紧固件是整体壁板连接的主要形式，因其合适的干涉配合状态，大大地提高了被连接件的疲劳寿命。

该方式满足壁板连接要求，生产制造工艺简单。另外，过盈密封连接螺栓使用专用的机械设备将螺栓拉入孔中，避免了普通标准件必须用手锤和铆枪将其打入孔中，防止打击螺栓头根部R 区可能产生的疲劳裂纹。

大量采用过盈螺栓和过盈铆钉连接，能延缓孔边裂纹的出现。为了提高飞机整体壁板的疲劳寿命，提高连接件与连接孔之间的密封性，降低结构重量，充分发挥新技术的优势和特点，就有必要使充分了解该技术的特点、设计方法和关键环节，掌握过盈连接结构的疲劳、损伤容限分析方法，连接件孔边的应力分布规律和计算方法，连接件孔强化机理、强化效果的评价、强化效果随时间的变化规律以及过盈连接对整体壁板疲劳寿命和损伤容限特性影响。