民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)襯套修理及強(qiáng)度評(píng)估

鄭浩

摘 要：安裝襯套是民用飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中一種常用的修理方法，用于修理民用飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中緊固件孔偏離圖紙要求的問(wèn)題。該文中依據(jù)長(zhǎng)期的工程經(jīng)驗(yàn)，概述了襯套在民用飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的使用范圍，襯套的制作和安裝要求，安裝襯套后的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的工程評(píng)估方法，從而協(xié)助工程人員快速、準(zhǔn)確地處理工程問(wèn)題，使襯套修理方法滿足強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)功能的要求，從而滿足民用飛機(jī)的適航性要求。

關(guān)鍵詞：襯套 民用飛機(jī) 修理

中圖分類號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0097-04

Abstract： Bush is a frequently-used repairment method for fasten holes which don`t conform drawing requirements in civil aviation production. According to long engineering experience， we analyse the applied range of bushes， the requirements of bushes manufacture and assembly， and static and fatigue strength evaluating methods in this thesis. With the analysis we can assist engineers to solve the rejections rapidly and accurately， make sure stress and structural requirementsare satisfied by the method， and further more the airworthiness.

Key Words： Bush； Civil aviation； Repairment

襯套是民用飛機(jī)常用的結(jié)構(gòu)之一。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為了增加可更換的抗磨損表面，或提供具有較低摩擦力的摩擦面，會(huì)在活動(dòng)接頭中考慮設(shè)計(jì)襯套。

同在飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，工程人員也會(huì)大量使用襯套。但是與設(shè)計(jì)人員的目的不同，工程人員使用襯套的唯一目的是修理超差孔，使之滿足圖紙上的容差要求。工程人員使用實(shí)心襯套堵住經(jīng)過(guò)圓整的超差孔，然后穿過(guò)襯套安裝圖紙要求的緊固件，從這個(gè)意義上講，安裝襯套也是一種特殊形式的堵孔[1]。

1 襯套使用范圍

飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，由于工人操作失誤，零件多次拆裝，零件狀態(tài)與圖紙不協(xié)調(diào)或設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，都有可能導(dǎo)致孔徑超大，奇異孔，孔邊損傷，埋頭孔锪窩尺寸超大或裝配孔錯(cuò)位等偏離圖紙要求的問(wèn)題出現(xiàn)。工程人員為了處置該類問(wèn)題，使飛機(jī)滿足功能、強(qiáng)度和適航的要求，通常會(huì)使用在偏離圖紙要求的孔內(nèi)安裝實(shí)心襯套，然后在襯套內(nèi)制孔安裝圖紙要求的緊固件的方法。

但是，考慮到具體部位的受力情況，通常在以下情況不使用襯套修理。

（1）緊固件孔短邊距（緊固件孔中心距離零件邊緣小于某一值，金屬材料上通常認(rèn)為該值為2倍的緊固件孔直徑）時(shí)不能使用加襯套的方法來(lái)解決，因?yàn)榧右r套不僅不會(huì)增加邊緣剩余材料，反而會(huì)進(jìn)一步削弱構(gòu)件，增加受拉時(shí)的應(yīng)力集中。

（2）緊固件受拉部位不能使用襯套進(jìn)行修理，襯套修理僅用于受剪緊固件連接部位。

2 襯套形式

民用飛機(jī)修理用襯套按其外形可分為柱狀、埋頭及臺(tái)階襯套，襯套外形示意圖如圖1所示。

柱狀襯套為最常用的襯套，若無(wú)特殊要求，修理一般使用柱狀襯套；當(dāng)緊固件孔锪窩出現(xiàn)偏離時(shí)，也會(huì)使用埋頭襯套，考慮到埋頭襯套和孔的干涉等直段較小，在襯套中心制孔時(shí)，襯套容易在襯套孔中旋轉(zhuǎn)，可以使用密封劑濕安裝等方法解決該問(wèn)題；當(dāng)需要增加單側(cè)的阻擋，防止襯套脫落，可使用臺(tái)階襯套。

襯套材料必須與修理區(qū)域的結(jié)構(gòu)材料相容，條件允許優(yōu)先使用相同材料，保證二者力學(xué)性能相當(dāng)，并避免電化學(xué)腐蝕。

3 襯套孔制孔要求

為了降低對(duì)強(qiáng)度的影響等，加襯套時(shí)需使去除的原結(jié)構(gòu)材料最少（在保證襯套最小壁厚的前提下），圖2給出了部分典型偏離孔擴(kuò)孔（安裝襯套）方法的示意。

方法1：緊固件在襯套上孔必須與原孔同心（例如其它零件上已制孔，所以無(wú)法移動(dòng)孔位）；此時(shí)r

方法2：緊固件在襯套上孔必須與原孔同心（例如其它零件上已制孔，所以無(wú)法移動(dòng)孔位）；此時(shí)，，一邊與偏離處相切。

方法3：緊固件在襯套上孔可重新定位（例如其它零件上孔未制孔或可借孔，或可以更換不帶孔的新零件）；此時(shí)，擴(kuò)孔兩邊均與原孔相切；此時(shí)圓心（緊固件中心）可移動(dòng)至O（襯套中心）或其周圍（O為圓心，半徑為的圓），襯套上孔可偏心。

方法4：緊固件在襯套上孔可重新定位（例如其它零件上孔未制孔或可借孔，或可以更換不帶孔的新零件）；此時(shí)，；此時(shí)圓心（緊固件中心）移動(dòng)至O（襯套中心），襯套上孔不可偏心。

4 襯套制作和安裝方法

在制作襯套，確定襯套尺寸時(shí)，為了保證堵孔能夠降低應(yīng)力集中系數(shù)，通常要保證襯套和基體材料的緊固件孔有足夠的干涉量，并且在襯套上制緊固件孔后，襯套上仍需有足夠的剩余厚度。為了使緊固件而非襯套承受多層零件之間的剪切載荷，當(dāng)襯套穿過(guò)兩層或更多層結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)分層加襯套。由于襯套與襯套孔存在干涉量，襯套直徑大于孔徑，故安裝時(shí)須冷凍安裝；對(duì)于鋼材料襯套，不能使用液氮冷凍安裝，可使用干冰冷凍安裝。

5 襯套修理的靜強(qiáng)度評(píng)估方法

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，襯套修理對(duì)靜強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在減少了原結(jié)構(gòu)的承載面積，因此靜強(qiáng)度評(píng)估包括邊距、間距和端距影響評(píng)估，具體評(píng)估方法可用下面的公式快捷并偏保守地計(jì)算[1]。

5.1 邊距影響評(píng)估

根據(jù)圖3描述，修理襯套直徑為D，邊距為B，受載方向與短邊距相關(guān)邊緣平行，單緊固件載荷為PA，板材厚度T，材料拉伸極限值為FTU，材料旁路應(yīng)力FB，凈邊距為C=B-0.5D，短邊距處拉伸破壞載荷PT：。

若PT大于PA，則襯套修理后，結(jié)構(gòu)不會(huì)由于短邊距發(fā)生拉伸破壞，邊距滿足靜強(qiáng)度要求。

5.2 間距影響評(píng)估

根據(jù)圖4描述，修理襯套直徑為D，間距為S，受載方向與緊固件排列方向平行，單緊固件載荷為PA，板材厚度T，材料剪切極限值為FSU，釘間剪切破壞 PD：。

若PD大于PA，則襯套修理后，結(jié)構(gòu)不會(huì)由于短間距發(fā)生剪切破壞，間距凈材料滿足靜強(qiáng)度要求。

5.3 端距影響評(píng)估

根據(jù)圖5描述，修理襯套直徑為D，端距為W，受載方向與短端距相關(guān)邊緣垂直短端，單緊固件載荷為PA，板材厚度T，材料剪切極限值為FSU，距處剪切破壞載荷PS：。

若PS大于PA，則襯套修理后，結(jié)構(gòu)不會(huì)由于短端距發(fā)生剪切破壞，端距凈材料滿足靜強(qiáng)度要求。

6 襯套修理的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法

基于DFR法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估，襯套修理主要影響結(jié)構(gòu)的DFR值。

關(guān)于典型制造偏離的襯套修理部位主要為有緊固件細(xì)節(jié)部位，結(jié)構(gòu)連接部位襯套修理前的DFR值計(jì)算公式為[2]：

各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響不同，有利有弊，綜合分析可知：襯套孔徑的增大會(huì)減少孔擠壓應(yīng)力；襯套高度直徑比的降低會(huì)減少剪切面上的尖端效應(yīng)；安裝形式采用冷凍安裝可以避免孔壁損傷等；這些方面對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度有利。

襯套孔徑的增大，邊距、間距或者端距減小會(huì)加劇應(yīng)力集中；襯套孔徑增大，孔邊接觸應(yīng)力會(huì)降低；這些方面對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度不利。

現(xiàn)保守考慮，忽略有利因素，僅考慮兩項(xiàng)不利因素，因此，原DFR值可修正為：。其中K1為邊距、間距和端距修正系數(shù)；K2為試驗(yàn)修正系數(shù)。

修正系數(shù)K1反映了應(yīng)力集中的影響，邊距、間距和端距的修正系數(shù)分別如圖6、圖7和圖8所示[3]。

襯套試驗(yàn)修正系數(shù)K2反映了孔邊接觸應(yīng)力變化對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響，根據(jù)試片級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，在襯套無(wú)短邊距情況下，襯套修理前后DFR值變化顯著，襯套修理后DFR試驗(yàn)值相比襯套修理前DFR理論值降低15%，盡管試驗(yàn)存在工藝不穩(wěn)定等因素，仍保守認(rèn)為襯套修理對(duì)原結(jié)構(gòu)DFR值存在明顯不利影響，取試驗(yàn)修正系數(shù)K2為0.85。

7 結(jié)語(yǔ)

襯套修理是民用飛機(jī)領(lǐng)域常使用的修理方法，該文概述了襯套在民用飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的使用范圍，襯套的制作和安裝要求，安裝襯套后的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的工程評(píng)估方法，能夠保證工程人員快速、規(guī)范地解決孔徑超大、奇異孔、孔邊損傷、埋頭孔锪窩尺寸超大或裝配孔錯(cuò)位等偏離圖紙要求的問(wèn)題，以滿足民用飛機(jī)的安全性和適航性要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)航空工業(yè)總公司第640研究所.麥道飛機(jī)聯(lián)絡(luò)工程手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997：60-61，63-65.

[2] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委員會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)-載荷、強(qiáng)度和剛度[M].航空工業(yè)出版社，2001：211.

[3] 《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M].北京：航空工業(yè)出版社. 2003：217-218.