某型机蒙皮划伤修理方案的研究

秦建兵，赵 玺，张妮娜，梁荣娜

（1.航空工业集团西飞公司，陕西 西安 710089； 2.中航西飞民用飞机有限责任公司，陕西 西安 710089）

绝大多数的损伤会引起灾难性的后果，而损伤防护的控制，依赖于分析方法的发展。损伤失效分析工作本身的成本要大于零件本身的制造成本，而航线服务的暂停带来的损失远大于分析工作的成本[1]。作为传统实验室分析断裂的方法，端口的显微观察发挥了无可替代的作用，裂纹扩展处的断裂形貌，是材料微观结构和外界因素相互作用的结果，尤其是载荷的形式、温度等环境因素[2]。

在老龄化飞机的检查过程中，经常会发现蒙皮划伤。贴补加强是常用的修理方法。C.D.Rans[3]通过显微观察断面，研究压铆产生的干涉应力对铆接件开裂的影响。结果表明，提高压铆力，能使裂纹扩展速率降低3倍。翟红波等[4]研究了铆接和螺接对钉孔疲劳性能的影响，发现连接方式不同，但裂纹起始位置相同，都位于钉孔边上，而且铆接的疲劳寿命略长于螺接，试件宽度方向上的裂纹扩展速率高于厚度方向。鲍敏等[5]通过研究不同的铆钉位置处的应力分布，来预测疲劳裂纹萌生位置。研究发现外侧铆钉受载比内侧铆钉大，发生疲劳损伤的概率也大。冯振宇[6]采用COSMOS软件计算了划伤蒙皮的最大应力，分析了不同划伤深度和划伤形式对蒙皮结构应力集中和疲劳寿命的影响。文献[7-8]分别就表面划痕对机械零部件的影响进行了分析，给出了一些评价方法和防划痕损伤措施。通过对已有文献的研究，发现早期关注点主要集中在划痕线样式对结构疲劳强度影响，很少对划伤修理后结构的损伤容限性能进行分析评定。

综上所述，本文采用ABAQUS软件建立蒙皮划伤试验件模型，计算单位载荷下试验件各零件的载荷，选出各零件的危险点位置，为试验提供依据。然后依据试验得到的某段开裂模式及扩展模式进行损伤容限分析，并与试验结果作比较，给出损伤容限评估结论。

1  有限元分析

蒙皮划伤试验件由化铣蒙皮、长桁、加强板组成，化铣蒙皮带有通过桁条的划伤（200mm×0.5mm），如图1所示。蒙皮指定区域模拟划伤并实施贴补修理。化铣蒙皮材料为2024-δ1.6，长桁材料为LY12-CZ-XC141-6，加强板材料为LY12-CZ-δ2。本文采用ABAQUS软件进行有限元应力分析。

图1 机身蒙皮划伤修理后示意图

根据有限元计算结果，受载较严重的连接件为各零件连接部位外围连接件，其中化铣蒙皮和加强板连接部位的外围左右两排连接件受载最严重，化铣蒙皮应力云图如图2所示。

图2 有限元分析应力云图

2  试验

2.1  试验设备及要求

试验采用SDM1000电液伺服疲劳试验机（100t级）。根据上述有限元分析结果，在计算得到的应力集中部位、易产生裂纹的关键部位及试验考核部位粘贴一定数量的应变片。试验载荷谱为某型飞机的飞续飞随机载荷谱，根据等损伤原则将原有的5级谱进行等损伤合并，对合并完的载荷谱进行滤波处理，以加快试验进度。试验加载频率f=5～10Hz，加载精度为1%。根据相关标准[9]规定，进行疲劳分析以及损伤容限评定时，要特别重视广布疲劳损伤。全尺寸疲劳试验需提前预测损伤的位置和模式，而金相显微观察可以提供更准确的信息，这是其他方法所做不到的，能反映疲劳过程的详细信息，例如裂纹起始的位置、长度、裂纹扩展速率、二维裂纹扩展与时间的关系、每条裂纹产生的顺序以及裂纹间相互作用和修理的效果[10-12]。除了上述方面，一定量的金相分析还可以用于疲劳机理的研究[13]和变幅载荷下裂纹扩展模式的预测[14]。

试验前预测裂纹可能产生的部位，试验过程中定期检查裂纹的萌生，将带500倍放大功能的USB视频显微镜连接到电脑上进行裂纹的检测。

2.2  试验结果及分析

对蒙皮划伤试验件分别进行加速疲劳裂纹（预裂）试验和损伤容限（裂纹扩展）试验。试验结果显示，154375次循环时，发现孔边出现3.8mm裂纹（A左），同时A（右）出现4.2mm裂纹，加速疲劳试验结束，开始损伤容限试验，随后裂纹出现顺序为B左和B右→A右与B左连通→D左→A左与C右连通，B右与D左连通→D右→C左→E左→D右与E左连通，E右、F左均出现裂纹并快速扩展→试件断裂。图3是试验件典型开裂模式，由图可知，裂纹从蒙皮外侧加强板最靠边的一排铆钉中间某一铆钉孔边萌生，然后向两侧扩展，不同铆钉孔边可同时出现裂纹并向两侧扩展（即多部位损伤）。

图3 试验件典型开裂模式

3  损伤容限分析

3.1  损伤容限模型

本文借助ASDT软件对修理部位进行损伤容限分析，按试验件观察得到的某段开裂模式进行分析。初始裂纹为A左=3.8mm，A右=4.2mm，扩展至A右=12mm，所需材料属性及应力强度因子取自《民机结构耐久性及损伤容限分析手册—损伤容限设计与分析》；载荷谱按试验谱选取，即为23.58kN/1.415kN，应力谱峰值应力为79.9322MPa、谷值应力为4.7966MPa。

3.2  计算结果

计算结果与试验结果的对比如图4所示。从图中可以看出，计算结果与试验结果吻合较好，说明裂纹扩展模型是有效的，最终计算裂纹扩展寿命小于试验寿命，趋于保守。

4  结 论

本文对蒙皮划伤修理结构进行细节有限元应力分析，在此基础上，预计损伤模式，开展典型结构修理的损伤容限试验，进行裂纹扩展寿命估算，得到如下结论。

（1）有限元应力分析得到的疲劳危险部位与试验结果一致，说明有限元模型和应力分析结果是合理的。

（2）从试验可得到蒙皮划伤试验件的典型开裂模式：从蒙皮外侧加强板最靠边的一排铆钉中间某一铆钉孔边萌生裂纹并向两边扩展，各铆钉孔边可同时出现裂纹并向两侧扩展。

图4 A孔孔边裂纹扩展数据对比

（3）计算得到的裂纹扩展数据与试验结果趋势吻合，最终计算裂纹扩展寿命小于试验寿命，趋于保守。