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        民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限研究及實(shí)例

        2018-05-26 09:54:10張健
        山東工業(yè)技術(shù) 2018年9期
        關(guān)鍵詞:民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)

        摘 要:隨著民用飛機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)的積累、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及公眾對(duì)民用飛機(jī)安全要求的提高,業(yè)內(nèi)對(duì)飛機(jī)的型號(hào)審定及持續(xù)適航關(guān)注度越來(lái)越高。在民用飛機(jī)適航領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)安全性作為重要的審查環(huán)節(jié),其設(shè)計(jì)及維護(hù)理念也在隨著科技的進(jìn)步不斷革新。本文通過(guò)對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限的基本概念、評(píng)定目的及檢查要求等理論基礎(chǔ)進(jìn)行總結(jié),借助簡(jiǎn)單實(shí)例對(duì)評(píng)定方法進(jìn)行梳理,進(jìn)而介紹型號(hào)審定環(huán)節(jié)中民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限的相關(guān)內(nèi)容。

        關(guān)鍵詞:民用飛機(jī);適航;結(jié)構(gòu);損傷容限

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.019

        0 引言

        民用飛機(jī)的疲勞損傷對(duì)結(jié)構(gòu)適航性危害巨大,歷史上曾多次發(fā)生因疲勞裂紋導(dǎo)致的民用飛機(jī)災(zāi)難性事故。民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想、適航標(biāo)準(zhǔn)也在這血淋淋的教訓(xùn)中不斷演化,自上世紀(jì)五十年代“彗星”事件發(fā)生后,飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展到破損安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,自1977年丹航事件后,又從破損安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則發(fā)展到損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。因此,損傷容限是在“安全壽命”和“破損—安全”之后發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)工程技術(shù)。

        1 損傷容限概述

        民用飛機(jī)在整個(gè)使用壽命期間應(yīng)避免由于疲勞、腐蝕、制造缺陷或意外損傷引起的災(zāi)難性破壞。損傷容限準(zhǔn)則是通過(guò)一套科學(xué)方法確保飛機(jī)在使用過(guò)程中的損傷在達(dá)到臨界尺寸之前能夠被檢查發(fā)現(xiàn)且完成修理,使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)可持續(xù)滿足剩余強(qiáng)度的要求,保證飛機(jī)的使用安全。

        2 中國(guó)民航基于損傷容限的管理要求

        為了保證民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的持續(xù)適航于安全,所有飛機(jī)的結(jié)構(gòu)均需滿足損傷容限準(zhǔn)則。由于1977年之后新研制的民用飛機(jī)都基于損傷容限準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì),目前國(guó)際及中國(guó)民航重點(diǎn)監(jiān)控部分民用老齡飛機(jī)。對(duì)于采用破損安全要求取證的民用飛機(jī),中國(guó)民航局通過(guò)咨詢通告AC-121-65R1要求通過(guò)頒發(fā)適航指令要求用補(bǔ)充結(jié)構(gòu)檢查(例如,波音737CL的補(bǔ)充結(jié)構(gòu)檢查文件)保證其疲勞關(guān)鍵基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)符合損傷容限要求。不僅如此,民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的修理和改裝可能改變結(jié)構(gòu)的傳力方式、接近和檢查特性等,特別是疲勞關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上的修理和改裝可能對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響,因此中國(guó)民航規(guī)章CCAR-121部附件J第3條對(duì)修理和改裝也提出了損傷容限評(píng)估的要求。

        3 損傷容限與耐久性的關(guān)系

        耐久性和損傷容限是民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足的結(jié)構(gòu)特性,根源在于民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)型和安全性的權(quán)衡,二者的簡(jiǎn)單含義如下:

        耐久性是結(jié)構(gòu)防止和抵抗損傷產(chǎn)生(包括疲勞、腐蝕、應(yīng)力腐蝕、熱退化、剝離、脫層、磨損和外來(lái)物損傷)的能力。損傷容限是結(jié)構(gòu)防止損傷增長(zhǎng)至災(zāi)難性破壞的能力。

        現(xiàn)實(shí)中,耐久性和損傷容限很難完全分開,二者互為基礎(chǔ)和制約。但二者的設(shè)計(jì)目標(biāo)差異較大,耐久性設(shè)計(jì)的目的是:賦予結(jié)構(gòu)高的疲勞品質(zhì),使結(jié)構(gòu)具有對(duì)抗疲勞、腐蝕(包括應(yīng)力腐蝕)和意外損傷的高度阻力,從而確保飛機(jī)以低維修成本達(dá)到長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)壽命。

        損傷容限設(shè)計(jì)的目的是:使結(jié)構(gòu)受損傷的危險(xiǎn)性減至最小,通過(guò)斷裂控制,保證在損傷使強(qiáng)度降至適航條例規(guī)定值(剩余強(qiáng)度要求)之前,以高概率及時(shí)檢測(cè)出損傷,使結(jié)構(gòu)修復(fù)后回到條例要求的強(qiáng)度,從而確保民用飛機(jī)的安全可靠。損傷容限設(shè)計(jì)的原理如圖1所示。

        4 損傷容限分析評(píng)定

        民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限分析評(píng)定的整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單描述為,完成損傷容限評(píng)定任務(wù),通過(guò)對(duì)主要結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展進(jìn)行分析,最終為每一個(gè)主要結(jié)構(gòu)件提供一個(gè)檢查大綱,保證由疲勞、意外損傷或腐蝕所引起的開裂在檢測(cè)出之前不會(huì)擴(kuò)展到破壞。

        4.1 損傷容限評(píng)定任務(wù)

        民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限分析評(píng)定任務(wù)包括飛機(jī)使用情況確認(rèn),重心過(guò)載系數(shù)譜編制,確定主要結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位,建立危險(xiǎn)部位的應(yīng)力譜,給出裂紋擴(kuò)展速率,裂紋擴(kuò)展分析,獲得材料及相應(yīng)構(gòu)型的斷裂韌性值,確定限制載荷下各部位的最大損傷程度,剩余強(qiáng)度分析,確定損傷部位的結(jié)構(gòu)類型,生成裂紋擴(kuò)展缺陷,確定檢查方法和檢查周期。

        4.2 損傷容限三要素

        損傷容限包括三個(gè)同等重要的因素,它們是,剩余強(qiáng)度、裂紋擴(kuò)展和檢查大綱。

        剩余強(qiáng)度分析主要工作是確定剩余強(qiáng)度許用值,該許用值體現(xiàn)了帶裂紋結(jié)構(gòu)實(shí)際允許的承載能力,以[σ]rs表示,它隨裂紋長(zhǎng)度增加而降低。評(píng)定要求該值必須不小于與CCAR 25.571規(guī)定的剩余強(qiáng)度載荷要求相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σ要求。

        裂紋擴(kuò)展分析主要任務(wù)是在確定的使用載荷環(huán)境下,損傷從初始可檢門檻值擴(kuò)展到最大允許損傷之間的時(shí)間間隔,即裂紋擴(kuò)展壽命。分析任務(wù)包括初始缺陷尺寸確定,裂紋擴(kuò)展率確定及等幅載荷下裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算和變幅載荷下裂紋擴(kuò)展計(jì)算。其中裂紋擴(kuò)展率確定主要受應(yīng)力強(qiáng)度因子變程ΔK影響,該參數(shù)由Paris公式、Forman公式及Walker公式確定。

        結(jié)構(gòu)檢查大綱編寫是民用飛機(jī)型號(hào)審定工作的重要內(nèi)容之一,大綱的基本目標(biāo)是使飛機(jī)在整個(gè)設(shè)計(jì)服役目標(biāo)期內(nèi),以可能的最經(jīng)濟(jì)的方法使結(jié)構(gòu)的適航性保持在一個(gè)可容許的水平。要能最有效地利用現(xiàn)有的手段,保證及時(shí)地檢測(cè)或預(yù)防由環(huán)境惡化,意外事故或疲勞引起的損傷。大綱必須在每種型號(hào)民用飛機(jī)投入使用前制訂出來(lái)。

        需要說(shuō)明的是,由于剩余強(qiáng)度分析和裂紋擴(kuò)展分析任務(wù)需要借助大量的函數(shù)迭代實(shí)現(xiàn),計(jì)算任務(wù)量非常大,在工程實(shí)際中一般借助計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn),目前業(yè)內(nèi)較為認(rèn)可的分析軟件有NASGROW和AFGROW等。

        4.3 損傷容限分析評(píng)定實(shí)例

        某型民用飛機(jī)勤務(wù)口蓋前后邊緣與蒙皮連接形式見圖2。

        開口前后邊緣和蒙皮通過(guò)緊固件NAS1097KE5(鋁合金100°實(shí)心鉚釘)連接,螺栓直徑3.97mm,緊固件間距為20mm。分析開口前后邊緣口框航向裂紋時(shí),取蒙皮環(huán)向應(yīng)力為工作應(yīng)力,由機(jī)身受力分析以及有限元分析結(jié)果可知開口角部蒙皮單元應(yīng)力水平最高,故取該單元環(huán)向應(yīng)力為工作應(yīng)力,載荷應(yīng)力和限制應(yīng)力為53.89MPa。

        NASGRO計(jì)算過(guò)程:NASGRO中的計(jì)算模型選擇CC02,W=46.75mm,孔徑D=3.97mm, 孔邊距B=6.17mm。t=2mm, μ=0.33,(2024(包鋁)-T42),a=1.27mm, a/c=1。NASGRO中各應(yīng)力系數(shù):S0=1-R1/P=1-0.18=0.82;S1=0;S3=R1/P X W/D=0.18 X 20/3.97=0.91。

        根據(jù)適航條例CCAR 25.571 中關(guān)于壓力艙剩余強(qiáng)度評(píng)估的規(guī)定“正常使用壓差的最大值(包括1g 飛行中可能的外部氣動(dòng)壓力),乘1.15 系數(shù),略去其他載荷”,這里正常飛行時(shí)最大使用壓差為8.27PSI,外部氣動(dòng)壓力為0.5PSI,于是剩余強(qiáng)度取1.15×(8.27+0.5)/8.27=1.22倍;并與剩余強(qiáng)度工況結(jié)果進(jìn)行比較,取應(yīng)力大者為剩余強(qiáng)度。

        Limit Stress:S0=53.89X0.82=44.19Mpa

        Limit Stress:S1=0;

        Limit Stress:S3=53.89X0.91=48.87Mpa

        剩余強(qiáng)度的限制取53.89Mpa,該結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展曲線見圖3。

        評(píng)定NASGROW輸出結(jié)論如下:

        Sn = 410.27 Sf= 410.25

        Total Cycles = 33353152

        Total Flights = 198133

        經(jīng)過(guò)198133次飛行,凈截面應(yīng)力Sn超過(guò)流動(dòng)應(yīng)力,結(jié)構(gòu)斷裂。

        確定檢查門檻值和檢查間隔:

        根據(jù)表結(jié)構(gòu)形式要求,分散系數(shù)取K1=2,K2=2,K3=1。

        a) 檢查門檻值。ΔTH=NCRIT/(K1K3) =198133/2=99066>24000

        故檢查門檻值為24000飛行次數(shù)。

        b) 檢查間隔。經(jīng)過(guò)156275次飛行循環(huán)裂紋目視可檢,從目視可檢開始經(jīng)過(guò)41858次飛行,凈截面應(yīng)力超過(guò)流動(dòng)應(yīng)力,結(jié)構(gòu)斷裂。

        ΔREC= (NCRIT-NDET)/(K2K3)=(198133-156275)/2=20929>12000

        故目視檢查間隔為12000飛行次數(shù)。

        檢查方法:目視檢查口框,檢測(cè)位置及方向見圖4。最小可檢裂紋長(zhǎng)度為cDET=8.1mm。

        參考文獻(xiàn):

        [1]民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].航空工業(yè)出版社,2003(06).

        [2]波音結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)SRM,D634A210[Z].

        [3]中國(guó)民航法規(guī)CCAR-25R4[Z].

        [4]中國(guó)民航法規(guī)CCAR-121R4[Z]

        [5]中國(guó)民航咨詢通告AC-121-65R1[Z].

        作者簡(jiǎn)介:張健(1985-),男,山東德州人,工程師,主要研究方向:飛機(jī)維修技術(shù)支援、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

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