結(jié)構(gòu)修理常用方法及分析

飛機(jī)結(jié)構(gòu)常規(guī)修理方法及分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷主要分為飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕、靜強(qiáng)度破壞、疲勞裂紋/斷裂、意外損傷等。根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修的有關(guān)理論、根據(jù)不同的損傷部位和損傷情況、航材供應(yīng)情況、飛機(jī)可停場時間、維修成本、本單位飛機(jī)維修能力等因素，參照該型飛機(jī)的相關(guān)修理手冊，在不影響飛機(jī)安全和正常使用的情況下，合理地制定飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理方案并進(jìn)行可靠性分析十分重要。根據(jù)以上幾個方面因素，結(jié)合自己從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理工作的經(jīng)驗，提出以下幾點看法。一、 腐蝕的常規(guī)修理及分析：金屬與周圍環(huán)境接觸時，由于環(huán)境中的化學(xué)腐蝕元素和電解質(zhì)的作用，使金屬元素以及晶格間的排列順序發(fā)生改變，從而改變了原有金屬的物理、化學(xué)、機(jī)械等性能，這就是金屬的腐蝕。飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕多數(shù)屬于電化學(xué)腐蝕。飛機(jī)在出廠時采取了一定的防腐措施，但由于飛行環(huán)境、飛機(jī)的使用和維護(hù)保養(yǎng)情況不同，因此在結(jié)構(gòu)修理過程中，除了要恢復(fù)原廠家設(shè)計的防腐能力外，必要時還應(yīng)比廠家提高一步。常用的防腐措施如下：全面檢查易腐蝕件周邊環(huán)境，找出產(chǎn)生腐蝕的條件及誘因；及時發(fā)現(xiàn)腐蝕的原始痕跡，并徹底清除腐蝕產(chǎn)物、恢復(fù)防腐涂層和進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)修理。定期清潔飛機(jī)容易污染的區(qū)域，特別是容易受液壓油、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、電解質(zhì)污染的區(qū)域或結(jié)構(gòu)件，重新噴涂防腐蝕抑制劑。定期或經(jīng)常性地疏通漏排水孔，保證漏排水系統(tǒng)一直處于暢通的工作狀態(tài)。確保廚房、廁所及貨艙地板接縫處的密封，發(fā)現(xiàn)密封破損立即修復(fù)，防止水及污染物滲入結(jié)構(gòu)表面；如果發(fā)現(xiàn)防腐蝕涂層破損，立即修復(fù)。因修理而加工過的鋁合金表面，首先確認(rèn)腐蝕已經(jīng)被完全去除掉，并且加工表面要光滑；在修理工作完成后，要保證修理區(qū)域的清潔，不允許金屬削（特別是鐵削、鋼削）、油污等污染物滯留在修理區(qū)域內(nèi)；根據(jù)相關(guān)的維修手冊恢復(fù)其原有的表面涂層，必要時再增加一層面漆，根據(jù)手冊要求噴涂防腐蝕抑制劑。安裝修理件的配合表面應(yīng)涂密封膠，必要時緊固件也應(yīng)涂密封膠濕安裝，所有止裂孔要涂底漆并用軟鉚釘或密封膠堵住。安裝鋼、鈦合金的零件，其配合表面應(yīng)涂密封膠濕安裝。鋼修理件一般應(yīng)局部鍍鎘或恢復(fù)原涂層；如果條件不具備，也可以涂兩道底漆。.地板與金屬結(jié)構(gòu)的接觸表面，可粘貼聚乙烯膠帶絕緣。如果可能，深入研究腐蝕的起因，制定相應(yīng)的預(yù)防措施并在實施中不斷完善和提高。二、 靜強(qiáng)度破壞的常規(guī)修理方法及分析：結(jié)構(gòu)損傷的修理主要依據(jù)原結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力水平和原結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度，損傷構(gòu)件經(jīng)修理后的靜強(qiáng)度要等于或略大于原構(gòu)件。例如使用加強(qiáng)板或搭接帶進(jìn)行構(gòu)件的加強(qiáng)修理時，一般要比損傷件加厚一個等級，并使用一定數(shù)量的緊固件以傳遞加強(qiáng)板的全部載荷。如果更換損傷的緊固件，一般用原牌號的緊固件更換；如果沒有原牌號的緊固件，可以用強(qiáng)度相同或加大一級的經(jīng)批準(zhǔn)的緊固件替代。典型的連接失效：大部分的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是靠緊固件連接的，大部分的飛機(jī)載荷也是通過緊固件來傳遞的，因次飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的損傷和修理也離不開緊固件。1）緊固件的剪切破壞：緊固件受剪力被切斷。2） 緊固件的拉伸破壞；緊固件受拉力被拉斷。3） 相鄰結(jié)構(gòu)的局部屈服：相鄰結(jié)構(gòu)材料受擠壓而產(chǎn)生塑性變形，即材料屈服。4） 相鄰結(jié)構(gòu)件的剪切失效：相鄰結(jié)構(gòu)件因受剪力而造成撕裂、剪斷，它是由于剪應(yīng)力過大、緊固件間距或邊距過小而造成的。5） 相鄰結(jié)構(gòu)件的拉伸失效：緊固件附近的結(jié)構(gòu)件因拉應(yīng)力過大而造成材料的拉斷現(xiàn)象。裂紋修理所需緊固件的數(shù)量和分布：T二裂紋結(jié)構(gòu)件的厚度（英寸）L二裂紋長度（英寸）U=裂紋結(jié)構(gòu)件抗拉伸極限強(qiáng)度（PSI）R二修理中使用鉚釘?shù)募羟性S用強(qiáng)度（磅）1.15二安全裕度裂紋每側(cè)所需鉚釘數(shù)量N=T*L*U*1.15/R傳力分析：在進(jìn)行結(jié)構(gòu)修理時，一般應(yīng)了解飛機(jī)結(jié)構(gòu)所承受的載荷大小、方向、分配方式以及載荷的傳遞路線，這就是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的傳力分析。在進(jìn)行了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的傳力分析以后，就可以分清主次要結(jié)構(gòu)，了解構(gòu)件的受力形式及力的大小。等強(qiáng)度修理：由于修理的目的是使被破壞的結(jié)構(gòu)恢復(fù)原來的強(qiáng)度，所以可以通過連接件的強(qiáng)度或被破壞構(gòu)件的強(qiáng)度來推算出原來的結(jié)構(gòu)件設(shè)計載荷。一般飛機(jī)設(shè)計的最小安全裕度是1.1，因此推算出的結(jié)構(gòu)件載荷除以1.1即可作為該結(jié)構(gòu)件的最大載荷值。1） 根據(jù)緊固件的許用強(qiáng)度值推算出臨近結(jié)構(gòu)的載荷。2） 根據(jù)材料的許用強(qiáng)度值及橫截面積推算出臨近結(jié)構(gòu)的載荷。三、疲勞損傷的常規(guī)修理方法及分析：飛機(jī)在循環(huán)載荷的長期作用下，由于其使用環(huán)境、使用情況和飛機(jī)的載荷譜與原設(shè)計不同，由于結(jié)構(gòu)維修中的人為因素和維修的不合理性，其結(jié)構(gòu)件中的薄弱環(huán)節(jié)和有缺損的部分就會提前出現(xiàn)裂紋或發(fā)生疲勞破壞。疲勞損傷由于其不確定性和不易檢查等特性，給飛機(jī)的安全造成極大的威脅。全世界航空史上多次空難都是由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷而直接造成的，我們一定不能小視這個問題。防止結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)過早的疲勞破壞，使修理件和相關(guān)區(qū)域的抗疲勞水平不降低，保證飛機(jī)達(dá)到或接近規(guī)定的使用壽命，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理中遇到的難題之一，也是衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理水平的重要標(biāo)志之一。飛機(jī)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已確定、載荷已確定、結(jié)構(gòu)形式也已確定，如何在結(jié)構(gòu)修理中保持其原有的抗疲勞設(shè)計水平不變，是每一個飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理工程技術(shù)人員的深入課題。以下簡述我個人的一些看法：合理選材：在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理過程中，當(dāng)需要加強(qiáng)或更換損傷的結(jié)構(gòu)件時，新的替換件或加強(qiáng)件一般應(yīng)與原結(jié)構(gòu)件材料相同，剛度相匹配。如果因為航材原因，需要不同材料的替換件或加強(qiáng)件時，應(yīng)保證新構(gòu)件與原構(gòu)件剛度相同或相匹配，新構(gòu)件的抗疲勞性能不得低于原構(gòu)件。合理控制修理區(qū)域的應(yīng)力水平：修理件的強(qiáng)度與原構(gòu)件相匹配或略高于原構(gòu)件；正確布置修理件的纖維方向，主要載荷方向平行于修理件的纖維方向，提高材料的有效利用率。緊固件載荷的合理分配：每個緊固件上分配的載荷是不均勻的，特別是在極限載荷作用下，材料將產(chǎn)生塑性變形，部分緊固件承擔(dān)的載荷增大，載荷的分布更趨不均勻。在材料的彈性范圍內(nèi)，通常是兩端緊固件分配的載荷大，中間位置的緊固件分配的載荷小。載荷的分配取決于緊固件的排列方式、材料的剛度（硬度），載荷是按照剛度分配的。為使載荷平均分配到每個緊固件上，一般連接構(gòu)件采用階梯狀或變厚度方式，緊固件選用平行排列方式。合理排列緊固件、合理選擇連接構(gòu)件的厚度，就可以平均分配緊固件上的載荷，降低構(gòu)件和緊固件的應(yīng)力水平，增加結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)件的可靠性。盡量避免或降低應(yīng)力集中：應(yīng)力集中會大大降低結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位。應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度的影響由“應(yīng)力集中系數(shù)Kt”和“疲勞降低系數(shù)Kf”決定，Kf有時也稱為“有效疲勞應(yīng)力集中系數(shù)”，Kf的定義是：Kf=光滑試件的疲勞強(qiáng)度/缺口試件的疲勞強(qiáng)度Kt=最大局部彈性應(yīng)力/平均應(yīng)力理論研究和實踐均表明，塑性材料Kf〈Kt，應(yīng)力集中對疲勞壽命的影響小；剛度大的材料，Kf比較接近Kt，應(yīng)力集中對疲勞壽命的影響較大。在實際結(jié)構(gòu)修理中，完全避免應(yīng)力集中是不可能的。為了減小應(yīng)力集中對疲勞壽命的影響，應(yīng)該注意以下問題：1） 選擇塑性較大的材料做加強(qiáng)件，通過變形協(xié)調(diào)的方式，可有效地克服和降低應(yīng)力集中對疲勞壽命的不利影響。2） 結(jié)構(gòu)件上高應(yīng)力區(qū)域盡量少開口或不開口，避免在此區(qū)域打鋼印，剪應(yīng)力板上盡量不開口，防止缺口效應(yīng)的不利影響。3） 如果必須開口，開口位置盡可能選在低應(yīng)力區(qū)域。寬板小圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)Kt=3，大尺寸剪力板應(yīng)力集中系數(shù)Kt=4，顯而易見開孔對結(jié)構(gòu)件的不利影響很大。4） 結(jié)構(gòu)件上如果需要開口，盡量開較大的的橢圓孔，并且橢圓孔的長軸方向盡量平行于主要載荷方向。結(jié)構(gòu)件上如果需要開口，盡量開較大的的橢圓孔，并且橢圓孔的長軸方向平行于主要載荷方向。例如在寬板上開橢圓孔，垂直于載荷方向的橢圓孔軸長度為a，平行于載荷方向的橢圓孔軸長度為b，則：Kt=1+2a/b顯而易見，a/b值越小，Kt越小；反之，a/b越大，Kt越大。由此可以得出結(jié)論，平行于載荷方向的裂紋不產(chǎn)生應(yīng)力集中；長軸平行于載荷方向的橢圓孔，且長軸與短軸長度相差越大，應(yīng)力集中越小。垂直于載荷方向的裂紋，應(yīng)力集中系數(shù)趨于無限大，材料很快就會被破壞掉，這就是通常所說的“劈”現(xiàn)象。5） 結(jié)構(gòu)件盡量避免橫截面的突變，在結(jié)構(gòu)件橫截面尺寸或形狀改變的地方，盡可能采用大圓角過渡，消除局部不連續(xù)，減小應(yīng)力集中。6） 結(jié)構(gòu)件上的空孔（除減輕孔以外）用緊配合的緊固件堵孔，減小應(yīng)力集中。7） 機(jī)械加工及熱處理的零件，應(yīng)該進(jìn)行人工時效或自然時效，以消除不良?xì)堄鄳?yīng)力引起的應(yīng)力集中。8） 重要受力件應(yīng)具有較高的表面硬度，可以通過表面噴丸處理、冷作硬化、高頻淬火等方法提高材料的表面硬度及耐磨性能，重要緊固件孔可通過冷擠壓工藝提高孔壁的表面硬度，由此可以提高構(gòu)件的抗疲勞性能。但應(yīng)嚴(yán)格控制工藝參數(shù)和工藝過程，避免產(chǎn)生有害的殘余應(yīng)力。重要受力件表面粗糙度值一般不高于3.2微米；避免劃傷、沖坑、工具印痕等人為缺陷，消除因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的疲勞源。受力結(jié)構(gòu)件的加工邊緣不應(yīng)有銳邊，應(yīng)保證足夠的圓角；一般為R0.020”/R0.030”。鈦合金的缺口敏感性很大，不允許出現(xiàn)尖銳的缺口或凹坑，所有邊緣必須光滑。尺寸效應(yīng)對疲勞壽命的影響：結(jié)構(gòu)件的尺寸對疲勞壽命的影響與應(yīng)力梯度有關(guān)，構(gòu)件的疲勞壽命隨其尺寸的增大而降低。大尺寸構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)域大，隱含了更多容易產(chǎn)生裂紋的缺陷，產(chǎn)生裂紋的概率較大，因此盡量采用小尺寸加強(qiáng)構(gòu)件。這樣既可以降低尺寸效應(yīng)對疲勞壽命的不良影響，同時又降低了修理件的重量。修理中應(yīng)盡量使構(gòu)件對稱布置，盡量不采用單側(cè)加強(qiáng)方案，避免附加彎矩及偏心載荷對結(jié)構(gòu)的加載而造成修理件提前失效。當(dāng)采用螺栓連接時，孔的公差要合適，避免松緊配合在同一處混合使用，避免在受剪螺栓附近布置受拉螺栓。在主要受力件的應(yīng)力集中區(qū)域，不能裝置其它輔助構(gòu)件。防止構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕及鋼的氫化脆變現(xiàn)象。構(gòu)件配合部位的公差要合適，避免裝配時產(chǎn)生殘余應(yīng)力，必要時應(yīng)規(guī)定殘余應(yīng)力的消除方法。重要的螺栓應(yīng)采用滾制螺紋的螺栓，重要的承拉螺栓要按手冊要求施加擰緊力矩。在特殊環(huán)境如高溫、摩擦、腐蝕、振動、聲振條件下工作的構(gòu)件，要采取特殊的防護(hù)措施。例如發(fā)動機(jī)尾噴口熱場內(nèi)工作的構(gòu)件，需要有足夠的柔度和變形補(bǔ)償，以免發(fā)生裂紋;在高頻振動部位，要增加剛度。玻璃構(gòu)件必須與骨架協(xié)調(diào)，間隙要均勻適當(dāng)，并要有防振措施，避免因翹曲而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力使構(gòu)件出現(xiàn)裂紋。使用指形板擴(kuò)散應(yīng)力集中，降低修理區(qū)域的應(yīng)力水平，提高疲勞壽命。結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免傳力路線中斷，使加強(qiáng)件上的載荷均勻擴(kuò)散到臨近的主傳力構(gòu)件上；修理件盡可能簡單，傳力路線也應(yīng)盡可能簡單和直接。鉚釘孔、螺栓孔、焊縫等都是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，在連接處適當(dāng)增加材料厚度以減少局部應(yīng)力；采用過盈配合的緊固件或冷擠壓孔，可增加孔壁的硬度和抗疲勞壽命；對焊縫進(jìn)行磨削，使其平滑也是減小應(yīng)力擊中的有效措施。采取必要的表面防護(hù)措施，防止表面缺陷的發(fā)生，但要注意防腐措施是否對疲勞性能有不利的影響。受交變載荷的螺栓，除非手冊中有明確的規(guī)定，一般應(yīng)施加預(yù)緊力；預(yù)緊力螺栓因交變載荷幅值的大大降低而提高了疲勞強(qiáng)度。預(yù)緊力一般是螺栓拉伸強(qiáng)度的5%—20%。盡量采用經(jīng)過實踐證明是有效的高疲勞壽命的結(jié)構(gòu)形式。四、剛度補(bǔ)強(qiáng)及分析：飛機(jī)結(jié)構(gòu)在使用載荷作用下，不但不能有明顯的塑性變形，而且彈性變形也應(yīng)有一定的限度。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度不夠，飛行中就不能保持良好的空氣動力性能，而且會產(chǎn)生顫振或共振，直致破壞結(jié)構(gòu)；如果修理件剛度過大，就會造成修理件承力加大，增加臨近結(jié)構(gòu)件的載荷,使相鄰結(jié)構(gòu)件因過載而提前失效。修理后零件的剛度盡可能與原結(jié)構(gòu)件相近，既不能使局部剛度過小而產(chǎn)生塑性變形，也不能局部剛度過大（形成局部硬點）而造成周圍結(jié)構(gòu)件因分配的載荷過大而提前破壞；兩者是辯證統(tǒng)一的關(guān)系。剛度和變形協(xié)調(diào)的原則：1） 避免在剛度較大的主傳力路線附近平行地布置較柔弱的傳力構(gòu)件。2） 在長桁搭接而蒙皮連續(xù)的地方，避免蒙皮可能因長桁搭接接頭剛度過大而超載，出現(xiàn)蒙皮失穩(wěn)現(xiàn)象。3） 在結(jié)構(gòu)修理中，應(yīng)避免同一連接接頭上或同一傳力路線上，混合使用不同規(guī)格及材料的緊固件，這樣容易使較弱的緊固件因超載而提前失效。4） 在對主承力構(gòu)件，如梁、長桁、隔框、肋等的修理中，應(yīng)避免修理件局部剛度過大而使周圍結(jié)構(gòu)超載。5） 避免過分加強(qiáng)損傷構(gòu)件造成因變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的周圍結(jié)構(gòu)件超載。五、 滿足空氣動力要求：現(xiàn)代飛機(jī)為了提高飛行安全、提高運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益，大幅度地提高了飛行速度，并適應(yīng)短跑道機(jī)場起降；飛機(jī)制造商利用了最新的飛機(jī)設(shè)計、制造工藝和空氣動力學(xué)理論，制造出高水平的光滑流線型飛機(jī)表面，因此保持高水平的光滑的飛機(jī)表面非常重要。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理中，特別應(yīng)注意保持和恢復(fù)原有飛機(jī)的流線形和蒙皮外表的光潔度。任何蒙皮表面的凹陷、凸起或粗糙的蒙皮表面，都會降低飛機(jī)的飛行性能，增加油耗。六、 滿足密封性要求：通過相應(yīng)的密封膠涂層材料，隔絕空氣、水、化學(xué)制劑、電解質(zhì)等侵入結(jié)構(gòu)表面或縫隙中，以達(dá)到密封和防腐蝕作用。七、 降低結(jié)構(gòu)修理的重量：在修理件滿足強(qiáng)度、剛度和疲勞性能的基礎(chǔ)上，盡量把修理所增加的重量降到最低限度。對于某些重量敏感區(qū)域或需要重量配平的的結(jié)構(gòu)件修理，修理后重量應(yīng)與原結(jié)構(gòu)重量保持一致。八、 可接近性要求：在進(jìn)行結(jié)構(gòu)修理時，必須考慮施工的可行性、可接近性。一般需要施工路線、步驟、施工空間并盡可能易于操作，必要時開施工口。九、 可檢查性要求：在滿足以上條件的基礎(chǔ)上，還應(yīng)重視修理件的可檢性