民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限研究分析

民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限研究分析隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，公眾對(duì)民用飛機(jī)的安全要求提出了更高的要求，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。本文通過對(duì)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限的分析，借助簡(jiǎn)單實(shí)例對(duì)評(píng)定方法進(jìn)行梳理，并闡述了相應(yīng)的損傷處理程序，以供參考。標(biāo)簽：民用飛機(jī)；適航；結(jié)構(gòu)；損傷容限一、 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)則是通過一套科學(xué)方法確保飛機(jī)在使用過程中的損傷在達(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。二、 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、磨損和外來物損傷）白勺能力。損傷容限是結(jié)構(gòu)防止損傷增長至災(zāi)難性破壞的能力?，F(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。三、 損傷容限分析評(píng)定（一）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。（二）損傷容限三要素?fù)p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[o]rs表示，它隨裂紋長度增加而降低。評(píng)定要求該值必須不小于與CCAR25.571規(guī)定的剩余強(qiáng)度載荷要求相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。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AK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。需要說明的是，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。四、損傷的處理程序（一）打磨處理此種處理方法適用于磨損、腐蝕、非穿透性微裂紋、刻痕及劃痕等局部性損傷。具體步驟如下：1、 使用專用打磨工具或化學(xué)溶液去除損傷區(qū)域漆層。2、 使用手冊(cè)允許的研磨劑或打磨片，打磨去除損傷。為測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)用以進(jìn)行合適的修理，同時(shí)避免疲勞裂紋的擴(kuò)展，損傷必須完全去除。否則，殘留損傷會(huì)降低材料的抗疲勞強(qiáng)度，最終會(huì)引起裂紋產(chǎn)生，甚至可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體失效。3、 使用無損探傷檢測(cè)，確保打磨處理區(qū)域沒有任何隱藏裂紋。4、 測(cè)量損傷深度或者部件的最小剩余厚度，并在工卡上準(zhǔn)確記錄結(jié)果。5、按照結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)的相應(yīng)章節(jié)判斷損傷是否允許并記錄判斷結(jié)果。如果是允許損傷，執(zhí)行步驟6；如果不是允許損傷，則查找修理方案準(zhǔn)備修理。6、使用蘸有清潔劑的軟布清潔損傷區(qū)域并對(duì)基體材料施加保護(hù)涂層及漆層。(二)整形修復(fù)此種處理方法適用于較薄的單層材料上的凹坑、彈性變形范圍內(nèi)的部件變形等損傷。對(duì)于部件或凹坑尺寸是否允許整形，則參考相關(guān)允許損傷章節(jié)和整形章節(jié)里面的要求。整形基本步驟如下：1、 詳細(xì)目視檢查凹坑狀態(tài)并使用無損探傷檢測(cè)現(xiàn)有凹坑區(qū)域有無裂紋。2、 如檢測(cè)沒有問題，則在凹陷一側(cè)使用接近部件輪廓外形的沙袋或類似支撐，在另一側(cè)使用膠錘或類似的非金屬工具，沿凹坑環(huán)向向內(nèi)輕輕移動(dòng)敲擊，直至恢復(fù)部件原始輪廓或凹坑尺寸滿足允許要求。3、 無損探傷再次檢測(cè)整形完成后的凹坑區(qū)域有無裂紋。4、 如滿足要求則依據(jù)圖紙或手冊(cè)恢復(fù)部件涂層和漆層。更換或修理此種處理方法適用于超出允許損傷標(biāo)準(zhǔn)的損傷部件。在對(duì)部件進(jìn)行更換時(shí)，也會(huì)遇到各種問題，比如有些件因?yàn)榉N種原因購買不到，或者到貨周期太長無法滿足定檢要求。鑒于此，一些飛機(jī)生產(chǎn)廠家也有自己獨(dú)特的程序，用以更加方便、及時(shí)地協(xié)助航空公司或維修單位完成部件更換，比如波音公司的SMAL(SparesMaterialAuthorizationLicense，簡(jiǎn)稱SMAL)程序，可以翻譯成航材自制授權(quán)書，是波音用以給客戶提供相關(guān)的技術(shù)支持以加工制作波音零部件的程序。波音公司推出這個(gè)程序其用意在于，如果波音航材部門供貨時(shí)間不能滿足飛機(jī)維修要求，則可以通過SMAL程序提供所需要的技術(shù)圖紙等資料，授權(quán)航空公司或維修單位自己加工制做該零部件，以避免出現(xiàn)因?yàn)榈却讲亩鴮?dǎo)致飛機(jī)停場(chǎng)周期延誤的情況。需要注意的是，執(zhí)行SMAL程序的前提是緊急訂貨(AOG)，且航空公司和波音公司之間已經(jīng)簽訂了客戶服務(wù)總協(xié)定 CSGTA(Custom-erServiceGeneralTermsAgreement,簡(jiǎn)稱CSGTA)，維修單位和波音公司之間必須已經(jīng)簽訂了航材供貨總協(xié)定HMSGTA(HardwareMaterialServiceGen-eralTermsAgreement，簡(jiǎn)稱HMSGTA)以及附加協(xié)議SLA-A(SupplementalLicenseAgreement-Airframe)o對(duì)航空公司或維修單位來說，SMAL程序無疑是解決這些關(guān)鍵問題的絕好方法，在做定檢的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)很多損傷，有些重度損傷只能使用新件來更換舊件解決問題，但卻經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)榈却讲牡截浂鴮?dǎo)致飛機(jī)推遲出場(chǎng)的情況。這時(shí)如果應(yīng)用SMAL程序，將一些有能力加工制作而供貨時(shí)間長的部件自制，會(huì)極大節(jié)省所需航材的等待時(shí)間，從而保證飛機(jī)的準(zhǔn)時(shí)出廠，這將給公司和客戶帶來很大的效益。五、結(jié)語綜上所述，針對(duì)民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)損傷問題，相關(guān)工作人員必須熟知各種損傷的定義和性質(zhì)，掌握損傷容限的分析與評(píng)定，在損傷處理時(shí)才能做出正確、快