某型飞机后机身边条结构故障分析

李善勋，朱成香，马常亮，李 琼，刘 伟

（中航工业洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

某型国产飞机后边条维形段结构存在着蒙皮偏薄、刚度较弱等设计缺陷，在鉴定试飞过程中陆续出现蒙皮裂纹、型材断裂、铆钉松动及掉铆钉头等故障，严重影响了该机型的鉴定试飞计划。

经对后边条维形段结构系统、全面、深入地进行振动、疲劳分析，得出了维形段表面受到不规则扰流激励时（由于结构外形引起的扰流），在维形段内表面引起较大动应力，此动应力与循环应力叠加，使得总应力较高，导致维形段在较高应力水平下出现疲劳破坏现象的结论。

通过建立有限元细节模型，对维形段结构进行了频率特性分析和静力分析，提出了以“增铆加强型材”为代表的能够增加结构强度和刚度的改装方案，并对飞机进行改装试飞验证。经5年多的试飞使用，共飞行290小时，400个起落，未发生故障，取得了显著效果。维形段结构及其在飞机上的安装位置见图1所示。

图1 维形段结构及安装位置示意图

1 对维形段破坏机理的分析

在外场试飞中，维形段出现故障的部位见图2所示。故障部位主要集中于上、下蒙皮与焊接盒段连接处、内蒙皮、下蒙皮及连接内蒙皮和下蒙皮的纵向型材，故障模式主要有：铆钉松动、掉铆钉、蒙皮裂纹和型材断裂，且一般都出现在飞机完成大速度飞行科目后。通过对连接内蒙皮及下蒙皮的纵向断裂型材做理化测试分析，认为其断裂是由典型的疲劳损伤引起的，其显著特点是低循环、高应力。考虑型材倒圆角处的应力集中因素，如此高的应力水平绝非单纯气动载荷所引起，一定还有其他尚未考虑的附加载荷客观存在。

依据分析，在飞机机尾罩与后边条维形段之间存在着由于结构外形引起的不稳定的扰流，由此会对维形段产生激振，且振动量级会随着飞机飞行速度的增加而逐渐增大。通过在机尾罩贴振动传感器，在飞行过程中对机尾罩的振动加速度和振幅进行实测，测试结果表明，机尾罩处的振动加速度和振幅远大于机身其他部位，扰流激振现象确实存在。

就维形段本身结构而言，上、下、内、外四块蒙皮均是材料为LY12厚度为1.0mm的薄蒙皮，连接四块蒙皮的型材材料为LY12-M-δ1.2，其结构在气动载荷作用下的静强度满足要求。动强度和疲劳强度理论分析、试飞测试证实，维形段故障主要原因是尾部不稳定扰流引起了振动，导致维形段在振动和循环载荷的耦合环境下过早发生疲劳破坏。为此，通过提高结构强度和刚度，降低动/疲耦合应力水平，从而使维形段的使用寿命显著提高。

2 结构改装方案确定

2.1 结构设计原则

某型飞机已经小批量生产，且有部分飞机在外场试飞鉴定，因此，维形段结构设计改装方案必须满足在外场实施方便、周期短、工作量小的要求。基于以上原因，在确定维形段结构改装方案时制定了以下原则：

1）便于外场实施，以最小的更改达到有效的排故目的；

2）提高维形段的强度、刚度和承载能力，降低总体应力水平；

3）通过合理布置型材，降低、抑制振动响应，提高振动疲劳寿命；

4）保证不将损伤转嫁到周边其他结构上；

5）尽可能降低改装成本和装配难度，严格控制改装引起的重量增加。

图2 维形段结构故障部位示意图

经过认真分析研究，最终确定了通过采用在壁板上合理布置加强型材，提高壁板的强度与刚度，降低局部应力水平的改装方案。

2.2 壁板加强设计方案

根据以上设计原则，壁板加强方案对维形段结构做的主要更改如下（见图3所示）。

图3 壁板加强方案结构示意图

1）在上、下蒙皮上各铆接3根加强型材，在内、外蒙皮上各铆接2根加强型材，加强型材材料为LY12-M-δ1.2，型材布置位置根据强度分析和频率分析不断迭代优化确定；

2）加强型材与上、下、外侧蒙皮用Q/5A1261-3×L单面埋头铆钉连接，内蒙皮与加强型材用CR3214-4-2抽钉连接。

3 频率储备及静力分析

3.1 频率储备分析

经讨论，故障处可能存在频率为100Hz左右的气流扰动力，根据振动设计准则，需保证结构固有频率避开上述扰动气流频率，并保留足够的频率储备裕度，故对改进前、后的维形段结构进行了模态分析，改进前、后维形段结构固有频率见表1所示，改进前、后维形段结构振型见图4、图5所示。

表1 维形段模态分析

考虑频率储备系数1.414，从表1可以看出，改进前结构频率与气动扰动频率比较靠近，改进后结构频率满足要求。

图4 改进前维形段结构振型图

图5 改进后维形段结构振型图

3.2 静力分析

由于无法获得准确的气动载荷，故对改进前后维形段结构施加相同的气动载荷（0.02MPa），通过有限元计算获取改进前、后结构应力分布及应力大小变化情况，计算结果见图6～图8。

图6 改进前结构蒙皮应力分布情况

从图6～图8可知，改进后蒙皮的应力水平明显降低，最大应力仅为改进前的一半左右，纵向型材的最大应力为135MPa，满足静强度设计要求。

图7 改进后结构蒙皮应力分布情况

图8 改进后型材应力云图

4 结 语

后边条维形段结构改进方案使壁板结构强度、刚度显著增加，结构的固有频率明显提高，其振动疲劳特性也有了明显的改善；同时，改进方案充分考虑了生产成本和装配难度，可满足飞机改装的各项要求。

[1]飞机设计手册10，北京：航空工业出版社，1996.

[2]张阿舟，诸德超，姚起杭，等.实用振动工程[M].第二卷.北京：航空工业出版社，1997.

[3]张阿舟，姚起杭.振动制造工程[M].北京：航空工业出版社，1989.