某型飞机4号油箱结构损伤分析及修复评估

杨嘉勤，许光群，管宇，季国梁

（1.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000；2.沈阳飞机设计研究所，沈阳 110000）

某型双座飞机4号油箱位于机身尾部的中间舱，4号油箱结构形式为：纵向承力构件主要由油箱上、下壁板、油箱侧壁板以及长桁组成；横向承力构件主要为隔框，其中第38框、42框、45b框较强，具有加强隔板结构，其余隔框为弱框。第40框、41框、43框和44框结构形式基本相同，为“拱”型结构，受力形式相似。第42框上半框段为弧形缘条，下半框段为加筋隔板。近期，一架飞机在外场飞行训练时，机务检查发现4号油箱第38框、45框处出现渗漏油故障，故障发生时该机累计飞行了1470小时。经深入检查发现，4号油箱第 40—44框左右两侧分别发生不同情况的断裂，与之相连接的上下壁板也发生了不同程度的局部撕裂，如图1所示。

图1 4号油箱结构损伤位置

1 损伤情况

为摸清结构损伤情况，分解 4号油箱第 38—45框间油箱口盖、中间舱第38—39框部附件、左发动机舱第38—42框油箱侧壁板挡板、油箱后部圆形口盖等零件，取出4号油箱内全部聚氨酯泡沫，对油箱内进行了深入全面的检查。为了掌握全机技术状态，不但对飞机机身进行了水平测量，还对垂尾开展了经纬测量。经检查，发现4号油箱第40、44框左右两侧断裂，第41、42、43框左侧断裂，且第41、42框左侧腹板和缘条存在明显的失稳变形，左侧上壁板在42框前沿横向撕裂等损伤。

1.1 壁板损伤

1）左侧上壁板与第 42框连接处航向筋条断裂，裂纹在上壁板上沿横向延伸80 mm，如图2a所示。

2）左侧上壁板第42—43框处航向筋条变形，如图2b所示。

3）左侧上壁板与第44框的连接耳片撕裂，如图2c所示。

4）右侧上壁板与第42框连接处渗油。

5）左侧下壁板在与第 43框连接的横向筋条裂纹，如图2d所示。

图2 4号油箱壁板损伤形式

1.2 框缘损伤

1）第 40框：左侧弧形缘条与下壁板连接处断裂如图3a所示，在上壁板向上150 mm处变形；右侧弧形缘条在上壁板向下 50 mm处断裂，如图 3b所示。

2）第41框左侧弧形缘条在下壁板连接处断裂，在上壁板向上150 mm处存在变形，如图3c所示。

3）第42框左侧与上壁板连接处上部框缘断裂，如图3d所示。

4）第 43框左侧下半框与下壁板连接处存在裂纹，左侧下壁板纵向长桁在第43框下半框连接处断裂，如图3e所示。

5）第44框左侧弧形缘条在距上壁板50 mm处断裂，右侧弧形缘条在距上壁板50 mm处断裂，如图3f所示。

6）第 45框上部与弧形蒙皮连接的型材存在裂纹，如图3g所示。

图3 4号油箱框缘损伤形式

2 损伤分析

2.1 损伤过程

通过对裂纹断口进行目视观察和分析，第 40、41、44框断口存在较长的疲劳裂纹痕迹，初步判断其主要是由于疲劳而引起的断裂；第 42、43框以及上下壁板的断口未见明显的疲劳裂纹痕迹，应为静力拉断。经过初步分析认为破坏过程是：首先第 40、41、44框因疲劳产生裂纹失去了大部分承载能力，在大载荷情况下，发生二次静力破坏，导致第43框、

第42上半框受载超过设计载荷而发生静力拉断（右侧的断裂情况也能在一定程度上说明是第 40、44框先发生断裂的）。随后，对于左侧上壁板来说，在失去了第40、41、43、44框的支持后，形成了以第38、42、45框下半框（以全腹板框形式连接上下壁，较强；第39框以拉杆形式连接上下壁板，较弱）为支点的三支点梁，由于两支点间的跨度很大，在油箱压力、气动载荷、全机总体载荷共同作用下，支点处产生很大的支反力，尤其是42框处的上壁板纵向筋条承受很大的弯矩，导致壁板撕裂、筋条失稳，同时也是上壁板在第38框、45框处漏油的重要原因之一。

2.2 损伤原因

2.2.1 载荷因素

某型飞机单双座机的 4号油箱主结构未见明显差异，单座机4号油箱的载荷主要为气动载荷、油箱增压以及燃油平动惯性载荷的组合情况。根据单座机的耗油顺序，在飞机作大过载机动时，4号油箱已经没有余油，单座飞机4号油箱至今未发生此类故障。双座机与单座机相比，前机身增重，其耗油顺序发生了改变，在飞机作大过载机动时，4号油箱可能处于满油或有大量余油的状态，并且因4号油箱距飞机重心较远，飞机机动时燃油的转动惯性载荷较大，影响结构寿命。

2.2.2 设计缺陷

从某型飞机单双座机4号油箱的结构对比分析，双座机至少存在两处明显的设计缺陷：一是框腹板与上壁板耳片连接处，该部位的框腹板毛截面宽为40 mm，去除2个直径为6 mm的螺栓孔后，净截面宽仅有28 mm，截面损失达30%，此处应力水平明显增加，为疲劳关键部位；二是框与下壁板连接处的止裂孔，由于止裂孔的存在产生严重的应力集中，使其成为疲劳关键部位，但此处在设计时已经有所加强。

2.2.3 其他

同类型双座机与该故障型飞机耗油顺序一致，曾经发现多架飞机4号油箱普通框出现类似故障，但均发生在2000飞行小时以后。断裂部位均在与上壁板连接螺栓孔或附近工艺孔处，未发现从下部止裂孔处断裂的现象。

2.3 分析结论

从裂纹处结构载荷情况、设计制造和使用方面综合分析，认为产生裂纹的原因主要是4号油箱局部存在设计制造缺陷，且飞机在作大过载飞行时，4号油箱可能处于满油或大量余油的状态下导致。

3 修复评估

3.1 修复方案

3.1.1 第40框处损伤修理

1）分解下壁板与弧形缘条连接的角材，切割去除断裂的第40框左下侧弧形缘条，校正左上侧弧形缘条处的变形，切割去除第40框右下侧断裂的弧形缘条。

2）用7B04-T6-δ1.5铝合金板材制作补强板替代原连接角材。

3）用7B04-O-δ1.5板材制作第40框补强件，更换并补强切割去除的弧形缘条。

4）第 40框左侧上部框缘变形区，用 7B04-O-δ1.5制作第40框左侧上补强件进行补强。

3.1.2 第41框处损伤修理

1）分解下壁板与弧形缘条连接的角材，切割去除断裂的第41框左下侧弧形缘条，校正左上侧弧形缘条处的变形，

2）用7B04-T6-δ1.5板材制作补强板替代原连接角材，

3）用7B04-O-δ1.5板材制作第41框补强件（左侧）更换切割下的弧形缘条，用第41框补强件（右侧）加强右弧形缘条。

4）第 41框左侧上部框缘变形区，用 7B04-O-δ1.5板材制作第41框左侧上补强件补强。

3.1.3 第42框处损伤修理

1）第42框处上壁板修理：在裂纹处制φ3 mm的止裂孔，锉修上壁板，在外侧用 1Cr18Ni9Ti-δ2.5不锈钢板材制作第42框处左侧上壁板补强件进行补强；内侧用7B04-T7451-δ30分别制作第42框左侧框前和框后的补强角盒进行补强，如图4所示。

2）左侧第42框的修理：切割去除左侧第42框上部断裂的框缘，用7B04-O-δ1.5板材制作补强件补强左上侧弧形缘条。

3.1.4 第43框处损伤修理

1）分解下壁板与弧形缘条连接的角材，切割去除断裂的第43框左下侧弧形缘条。

2）用7B04-T6-δ1.5板材制作补强板替代原连接角材，用 7B04-O-δ1.5板材制作第 43框处的补强件补强下侧弧形缘条。

3）切割去除下壁板第42—43框间变形损伤的筋条，分别用 7B04-T6 XL113-57制作特制型材和7B04-T7451-δ30制作第43框左侧下壁板的补强角盒进行补强修理，如图5所示。

3.1.5 第44框处损伤修理

1）分解下壁板与弧形缘条连接的角材，切割去除断裂的第44框左、右下侧弧形缘条。

图4 第42框处上壁板补强修理

图5 第43框处下壁板补强修理

2）用7B04-T6-δ1.5板材制作补强板替代原连接角材，用 7B04-O-δ1.5板材制作第 44框补强件补强下侧弧形缘条。

3）修整去除上壁板在第 44框处断裂的连接耳片，外侧用7B04-O-δ2.0制作补强件进行补强修理，内侧用 7B04-T7451-δ60制作补强角片。同时在左侧上壁板的第44框框前和框后分别制作补强角盒进行补强修理，如图6所示。

3.1.6 第45框处损伤修理

在裂纹末端钻φ3 mm的止裂孔，外侧用7B04-δ2.0板材贴补加强。

3.2 修复评估

图6 第44框补强

4号油箱载荷分为两部分，一部分是参与气动和惯性力传递的全机载荷，另一部分是油箱压力和局部气动吸力，即局部载荷。严重载荷情况为油箱增压、气动吸力、满油状态下燃油惯性载荷（包括平动和转动）的组合。

全机载荷情况对 4号油箱薄弱部位载荷的贡献很小，或者是有益的（负载荷）。因此，出于保守考虑，在静强度分析和疲劳强度分析中将不计这些载荷的影响。

采用有限元法计算内力，在全机有限元模型上，将总体载荷、气动载荷、由于平动和转动产生的油压载荷分别加在结构上进行计算。从有限元模型中提取了3个框上的内力，由于计算结果中钣弯型材的弯矩很小，对应力水平的贡献可以忽略，4号油箱第 40框、41框和44框的静力薄弱部位如图7所示。

图7 4号油箱第40框、41框和44框的静力薄弱部位

从计算结果分析，第44框静力薄弱部位是疲劳最危险部位，应该最先被破坏，但从该机的损伤情况看，第44框半圆弧末端钣弯型材先发生疲劳损伤，这是由于损伤处型材外侧与外边条连接的装配应力造成的。由于第44框半圆弧末端钣弯型材先损伤，对第44框的静力薄弱部位进行了卸载，所以静力薄弱部位反而没有破坏。

典型的44框油箱压力计算如图8所示，限制载荷下的油压计算公式如下，对于典型的 4号油箱第44框下壁板M点在限制载荷下的压力为：

考虑安全系数1.5，则M点在极限载荷下的压力为 0.198 MPa：

对于4号油箱第38框至第45b框之间的舱段，第44框下壁板M点是该舱段的严重受力点之一。文中以该点的压力值作为设计载荷对 4号油箱第 40—44框、第42框处上壁板和第43框处下壁板的修理方案进行静强度校核评估，如图8所示。

图8 油箱压力计算

3.2.1 第40、41、43、44框弧形段强度评估

4号油箱第 40、41、43、44框的弧形段结构形式相似，取第44框进行强度校核和评估，有限元模型如图9所示。

图9 第44框弧形段有限元简化模型

第44框处的框距为340 mm，在均匀压力q=67.32 N/mm的作用下，有限元计算得到固支点的内力为：M=44 080 N·mm，N=21 138 N，Q=202 N。

第44框的修理方案如图10所示，加强件的剖面计算见表1。

第44框加强件通过12个HB 6298-4×L铆钉与原结构的弧形段连接。假设弯矩由腹板内侧的4个铆钉和缘条上的4个铆钉承受，这两排铆钉的排距为29.3 mm，则作用在每个铆钉上的载荷为：P=376 N。

轴力由12个铆钉共同承受，则作用在每个铆钉上的载荷为：P=1762 N。

作用在单个铆钉上的最大载荷为：P=2102 N。

原第44框腹板厚度为1.2 mm，材料为B95，σb=510 MPa。对于直径为4 mm的铆钉，其挤压许用载荷为3182 N。HB 6298-4×L铆钉的单剪许用载荷为3100 N，则铆钉连接的剩余强度为1.47，满足强度要求。

图10 第44框弧形段的修理方案

表1 第44框加强件剖面计算

3.3 修复评估结论

某型双座机 4号油箱修理后能够满足静强度要求，修理时已对机体结构进行了补强（原机框腹板厚度为1.2 mm，加强件腹板厚度为1.5 mm），主要修理部件的静强度不低于原结构。

4 改进建议

某型飞机双座机与单座机相比，由于耗油顺序发生改变，对于同样结构的4号油箱会产生疲劳问题，建议对某型双座机4号油箱局部结构进行改进，方案如下：

1）改进中部舱第44框钣弯型材半圆弧末端铆钉的连接工艺，避免装配应力和制造缺陷的发生。

2）将钣弯型材的厚度由1.2变为1.5，降低应力水平。

3）取消钣弯型材上不必要的开孔，螺栓孔应按尽可能小地削弱剖面的原则进行排列。

4）改进钣弯型材与4号油箱下壁板的连接形式，从而改善止裂孔边的疲劳品质。

5 结论

1）4号油箱损伤故障检查全面，使得该机所有结构损伤均得到了充分的暴露。

2）从飞机损伤结构进行受载、单双座机型耗油工作原理及设计制造情况进行分析，结合现役同类型飞机的故障情况，认为裂纹原因是4号油箱局部设计不合理，且飞机在作大过载飞行时，4号油箱可能处于满油或大量余油状态下导致的。

3）4号油箱修理方案经强度校核后能够满足静强度要求，针对结构损伤制定的修理方案可操作性强，修理后主要修理部件的静强度不低于原结构。

4）针对某型双座机4号油箱疲劳问题提出的建议能够改善4号油箱的疲劳品质，提高其疲劳寿命。