某型飛機(jī)4號(hào)油箱結(jié)構(gòu)損傷分析及修復(fù)評(píng)估

楊嘉勤，許光群，管宇，季國(guó)梁

（1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000；2.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110000）

某型雙座飛機(jī)4號(hào)油箱位于機(jī)身尾部的中間艙，4號(hào)油箱結(jié)構(gòu)形式為：縱向承力構(gòu)件主要由油箱上、下壁板、油箱側(cè)壁板以及長(zhǎng)桁組成；橫向承力構(gòu)件主要為隔框，其中第38框、42框、45b框較強(qiáng)，具有加強(qiáng)隔板結(jié)構(gòu)，其余隔框?yàn)槿蹩?。?0框、41框、43框和44框結(jié)構(gòu)形式基本相同，為“拱”型結(jié)構(gòu)，受力形式相似。第42框上半框段為弧形緣條，下半框段為加筋隔板。近期，一架飛機(jī)在外場(chǎng)飛行訓(xùn)練時(shí)，機(jī)務(wù)檢查發(fā)現(xiàn)4號(hào)油箱第38框、45框處出現(xiàn)滲漏油故障，故障發(fā)生時(shí)該機(jī)累計(jì)飛行了1470小時(shí)。經(jīng)深入檢查發(fā)現(xiàn)，4號(hào)油箱第 40—44框左右兩側(cè)分別發(fā)生不同情況的斷裂，與之相連接的上下壁板也發(fā)生了不同程度的局部撕裂，如圖1所示。

圖1 4號(hào)油箱結(jié)構(gòu)損傷位置

1 損傷情況

為摸清結(jié)構(gòu)損傷情況，分解 4號(hào)油箱第 38—45框間油箱口蓋、中間艙第38—39框部附件、左發(fā)動(dòng)機(jī)艙第38—42框油箱側(cè)壁板擋板、油箱后部圓形口蓋等零件，取出4號(hào)油箱內(nèi)全部聚氨酯泡沫，對(duì)油箱內(nèi)進(jìn)行了深入全面的檢查。為了掌握全機(jī)技術(shù)狀態(tài)，不但對(duì)飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行了水平測(cè)量，還對(duì)垂尾開(kāi)展了經(jīng)緯測(cè)量。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)4號(hào)油箱第40、44框左右兩側(cè)斷裂，第41、42、43框左側(cè)斷裂，且第41、42框左側(cè)腹板和緣條存在明顯的失穩(wěn)變形，左側(cè)上壁板在42框前沿橫向撕裂等損傷。

1.1 壁板損傷

1）左側(cè)上壁板與第 42框連接處航向筋條斷裂，裂紋在上壁板上沿橫向延伸80 mm，如圖2a所示。

2）左側(cè)上壁板第42—43框處航向筋條變形，如圖2b所示。

3）左側(cè)上壁板與第44框的連接耳片撕裂，如圖2c所示。

4）右側(cè)上壁板與第42框連接處滲油。

5）左側(cè)下壁板在與第 43框連接的橫向筋條裂紋，如圖2d所示。

圖2 4號(hào)油箱壁板損傷形式

1.2 框緣損傷

1）第 40框：左側(cè)弧形緣條與下壁板連接處斷裂如圖3a所示，在上壁板向上150 mm處變形；右側(cè)弧形緣條在上壁板向下 50 mm處斷裂，如圖 3b所示。

2）第41框左側(cè)弧形緣條在下壁板連接處斷裂，在上壁板向上150 mm處存在變形，如圖3c所示。

3）第42框左側(cè)與上壁板連接處上部框緣斷裂，如圖3d所示。

4）第 43框左側(cè)下半框與下壁板連接處存在裂紋，左側(cè)下壁板縱向長(zhǎng)桁在第43框下半框連接處斷裂，如圖3e所示。

5）第44框左側(cè)弧形緣條在距上壁板50 mm處斷裂，右側(cè)弧形緣條在距上壁板50 mm處斷裂，如圖3f所示。

6）第 45框上部與弧形蒙皮連接的型材存在裂紋，如圖3g所示。

圖3 4號(hào)油箱框緣損傷形式

2 損傷分析

2.1 損傷過(guò)程

通過(guò)對(duì)裂紋斷口進(jìn)行目視觀察和分析，第 40、41、44框斷口存在較長(zhǎng)的疲勞裂紋痕跡，初步判斷其主要是由于疲勞而引起的斷裂；第 42、43框以及上下壁板的斷口未見(jiàn)明顯的疲勞裂紋痕跡，應(yīng)為靜力拉斷。經(jīng)過(guò)初步分析認(rèn)為破壞過(guò)程是：首先第 40、41、44框因疲勞產(chǎn)生裂紋失去了大部分承載能力，在大載荷情況下，發(fā)生二次靜力破壞，導(dǎo)致第43框、

第42上半框受載超過(guò)設(shè)計(jì)載荷而發(fā)生靜力拉斷（右側(cè)的斷裂情況也能在一定程度上說(shuō)明是第 40、44框先發(fā)生斷裂的）。隨后，對(duì)于左側(cè)上壁板來(lái)說(shuō)，在失去了第40、41、43、44框的支持后，形成了以第38、42、45框下半框（以全腹板框形式連接上下壁，較強(qiáng)；第39框以拉桿形式連接上下壁板，較弱）為支點(diǎn)的三支點(diǎn)梁，由于兩支點(diǎn)間的跨度很大，在油箱壓力、氣動(dòng)載荷、全機(jī)總體載荷共同作用下，支點(diǎn)處產(chǎn)生很大的支反力，尤其是42框處的上壁板縱向筋條承受很大的彎矩，導(dǎo)致壁板撕裂、筋條失穩(wěn)，同時(shí)也是上壁板在第38框、45框處漏油的重要原因之一。

2.2 損傷原因

2.2.1 載荷因素

某型飛機(jī)單雙座機(jī)的 4號(hào)油箱主結(jié)構(gòu)未見(jiàn)明顯差異，單座機(jī)4號(hào)油箱的載荷主要為氣動(dòng)載荷、油箱增壓以及燃油平動(dòng)慣性載荷的組合情況。根據(jù)單座機(jī)的耗油順序，在飛機(jī)作大過(guò)載機(jī)動(dòng)時(shí)，4號(hào)油箱已經(jīng)沒(méi)有余油，單座飛機(jī)4號(hào)油箱至今未發(fā)生此類(lèi)故障。雙座機(jī)與單座機(jī)相比，前機(jī)身增重，其耗油順序發(fā)生了改變，在飛機(jī)作大過(guò)載機(jī)動(dòng)時(shí)，4號(hào)油箱可能處于滿(mǎn)油或有大量余油的狀態(tài)，并且因4號(hào)油箱距飛機(jī)重心較遠(yuǎn)，飛機(jī)機(jī)動(dòng)時(shí)燃油的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性載荷較大，影響結(jié)構(gòu)壽命。

2.2.2 設(shè)計(jì)缺陷

從某型飛機(jī)單雙座機(jī)4號(hào)油箱的結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，雙座機(jī)至少存在兩處明顯的設(shè)計(jì)缺陷：一是框腹板與上壁板耳片連接處，該部位的框腹板毛截面寬為40 mm，去除2個(gè)直徑為6 mm的螺栓孔后，凈截面寬僅有28 mm，截面損失達(dá)30%，此處應(yīng)力水平明顯增加，為疲勞關(guān)鍵部位；二是框與下壁板連接處的止裂孔，由于止裂孔的存在產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，使其成為疲勞關(guān)鍵部位，但此處在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)有所加強(qiáng)。

2.2.3 其他

同類(lèi)型雙座機(jī)與該故障型飛機(jī)耗油順序一致，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)多架飛機(jī)4號(hào)油箱普通框出現(xiàn)類(lèi)似故障，但均發(fā)生在2000飛行小時(shí)以后。斷裂部位均在與上壁板連接螺栓孔或附近工藝孔處，未發(fā)現(xiàn)從下部止裂孔處斷裂的現(xiàn)象。

2.3 分析結(jié)論

從裂紋處結(jié)構(gòu)載荷情況、設(shè)計(jì)制造和使用方面綜合分析，認(rèn)為產(chǎn)生裂紋的原因主要是4號(hào)油箱局部存在設(shè)計(jì)制造缺陷，且飛機(jī)在作大過(guò)載飛行時(shí)，4號(hào)油箱可能處于滿(mǎn)油或大量余油的狀態(tài)下導(dǎo)致。

3 修復(fù)評(píng)估

3.1 修復(fù)方案

3.1.1 第40框處損傷修理

1）分解下壁板與弧形緣條連接的角材，切割去除斷裂的第40框左下側(cè)弧形緣條，校正左上側(cè)弧形緣條處的變形，切割去除第40框右下側(cè)斷裂的弧形緣條。

2）用7B04-T6-δ1.5鋁合金板材制作補(bǔ)強(qiáng)板替代原連接角材。

3）用7B04-O-δ1.5板材制作第40框補(bǔ)強(qiáng)件，更換并補(bǔ)強(qiáng)切割去除的弧形緣條。

4）第 40框左側(cè)上部框緣變形區(qū)，用 7B04-O-δ1.5制作第40框左側(cè)上補(bǔ)強(qiáng)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.1.2 第41框處損傷修理

1）分解下壁板與弧形緣條連接的角材，切割去除斷裂的第41框左下側(cè)弧形緣條，校正左上側(cè)弧形緣條處的變形，

2）用7B04-T6-δ1.5板材制作補(bǔ)強(qiáng)板替代原連接角材，

3）用7B04-O-δ1.5板材制作第41框補(bǔ)強(qiáng)件（左側(cè)）更換切割下的弧形緣條，用第41框補(bǔ)強(qiáng)件（右側(cè)）加強(qiáng)右弧形緣條。

4）第 41框左側(cè)上部框緣變形區(qū)，用 7B04-O-δ1.5板材制作第41框左側(cè)上補(bǔ)強(qiáng)件補(bǔ)強(qiáng)。

3.1.3 第42框處損傷修理

1）第42框處上壁板修理：在裂紋處制φ3 mm的止裂孔，銼修上壁板，在外側(cè)用 1Cr18Ni9Ti-δ2.5不銹鋼板材制作第42框處左側(cè)上壁板補(bǔ)強(qiáng)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；內(nèi)側(cè)用7B04-T7451-δ30分別制作第42框左側(cè)框前和框后的補(bǔ)強(qiáng)角盒進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖4所示。

2）左側(cè)第42框的修理：切割去除左側(cè)第42框上部斷裂的框緣，用7B04-O-δ1.5板材制作補(bǔ)強(qiáng)件補(bǔ)強(qiáng)左上側(cè)弧形緣條。

3.1.4 第43框處損傷修理

1）分解下壁板與弧形緣條連接的角材，切割去除斷裂的第43框左下側(cè)弧形緣條。

2）用7B04-T6-δ1.5板材制作補(bǔ)強(qiáng)板替代原連接角材，用 7B04-O-δ1.5板材制作第 43框處的補(bǔ)強(qiáng)件補(bǔ)強(qiáng)下側(cè)弧形緣條。

3）切割去除下壁板第42—43框間變形損傷的筋條，分別用 7B04-T6 XL113-57制作特制型材和7B04-T7451-δ30制作第43框左側(cè)下壁板的補(bǔ)強(qiáng)角盒進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修理，如圖5所示。

3.1.5 第44框處損傷修理

1）分解下壁板與弧形緣條連接的角材，切割去除斷裂的第44框左、右下側(cè)弧形緣條。

圖4 第42框處上壁板補(bǔ)強(qiáng)修理

圖5 第43框處下壁板補(bǔ)強(qiáng)修理

2）用7B04-T6-δ1.5板材制作補(bǔ)強(qiáng)板替代原連接角材，用 7B04-O-δ1.5板材制作第 44框補(bǔ)強(qiáng)件補(bǔ)強(qiáng)下側(cè)弧形緣條。

3）修整去除上壁板在第 44框處斷裂的連接耳片，外側(cè)用7B04-O-δ2.0制作補(bǔ)強(qiáng)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修理，內(nèi)側(cè)用 7B04-T7451-δ60制作補(bǔ)強(qiáng)角片。同時(shí)在左側(cè)上壁板的第44框框前和框后分別制作補(bǔ)強(qiáng)角盒進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修理，如圖6所示。

3.1.6 第45框處損傷修理

在裂紋末端鉆φ3 mm的止裂孔，外側(cè)用7B04-δ2.0板材貼補(bǔ)加強(qiáng)。

3.2 修復(fù)評(píng)估

圖6 第44框補(bǔ)強(qiáng)

4號(hào)油箱載荷分為兩部分，一部分是參與氣動(dòng)和慣性力傳遞的全機(jī)載荷，另一部分是油箱壓力和局部氣動(dòng)吸力，即局部載荷。嚴(yán)重載荷情況為油箱增壓、氣動(dòng)吸力、滿(mǎn)油狀態(tài)下燃油慣性載荷（包括平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)）的組合。

全機(jī)載荷情況對(duì) 4號(hào)油箱薄弱部位載荷的貢獻(xiàn)很小，或者是有益的（負(fù)載荷）。因此，出于保守考慮，在靜強(qiáng)度分析和疲勞強(qiáng)度分析中將不計(jì)這些載荷的影響。

采用有限元法計(jì)算內(nèi)力，在全機(jī)有限元模型上，將總體載荷、氣動(dòng)載荷、由于平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的油壓載荷分別加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。從有限元模型中提取了3個(gè)框上的內(nèi)力，由于計(jì)算結(jié)果中鈑彎型材的彎矩很小，對(duì)應(yīng)力水平的貢獻(xiàn)可以忽略，4號(hào)油箱第 40框、41框和44框的靜力薄弱部位如圖7所示。

圖7 4號(hào)油箱第40框、41框和44框的靜力薄弱部位

從計(jì)算結(jié)果分析，第44框靜力薄弱部位是疲勞最危險(xiǎn)部位，應(yīng)該最先被破壞，但從該機(jī)的損傷情況看，第44框半圓弧末端鈑彎型材先發(fā)生疲勞損傷，這是由于損傷處型材外側(cè)與外邊條連接的裝配應(yīng)力造成的。由于第44框半圓弧末端鈑彎型材先損傷，對(duì)第44框的靜力薄弱部位進(jìn)行了卸載，所以靜力薄弱部位反而沒(méi)有破壞。

典型的44框油箱壓力計(jì)算如圖8所示，限制載荷下的油壓計(jì)算公式如下，對(duì)于典型的 4號(hào)油箱第44框下壁板M點(diǎn)在限制載荷下的壓力為：

考慮安全系數(shù)1.5，則M點(diǎn)在極限載荷下的壓力為 0.198 MPa：

對(duì)于4號(hào)油箱第38框至第45b框之間的艙段，第44框下壁板M點(diǎn)是該艙段的嚴(yán)重受力點(diǎn)之一。文中以該點(diǎn)的壓力值作為設(shè)計(jì)載荷對(duì) 4號(hào)油箱第 40—44框、第42框處上壁板和第43框處下壁板的修理方案進(jìn)行靜強(qiáng)度校核評(píng)估，如圖8所示。

圖8 油箱壓力計(jì)算

3.2.1 第40、41、43、44框弧形段強(qiáng)度評(píng)估

4號(hào)油箱第 40、41、43、44框的弧形段結(jié)構(gòu)形式相似，取第44框進(jìn)行強(qiáng)度校核和評(píng)估，有限元模型如圖9所示。

圖9 第44框弧形段有限元簡(jiǎn)化模型

第44框處的框距為340 mm，在均勻壓力q=67.32 N/mm的作用下，有限元計(jì)算得到固支點(diǎn)的內(nèi)力為：M=44 080 N·mm，N=21 138 N，Q=202 N。

第44框的修理方案如圖10所示，加強(qiáng)件的剖面計(jì)算見(jiàn)表1。

第44框加強(qiáng)件通過(guò)12個(gè)HB 6298-4×L鉚釘與原結(jié)構(gòu)的弧形段連接。假設(shè)彎矩由腹板內(nèi)側(cè)的4個(gè)鉚釘和緣條上的4個(gè)鉚釘承受，這兩排鉚釘?shù)呐啪酁?9.3 mm，則作用在每個(gè)鉚釘上的載荷為：P=376 N。

軸力由12個(gè)鉚釘共同承受，則作用在每個(gè)鉚釘上的載荷為：P=1762 N。

作用在單個(gè)鉚釘上的最大載荷為：P=2102 N。

原第44框腹板厚度為1.2 mm，材料為B95，σb=510 MPa。對(duì)于直徑為4 mm的鉚釘，其擠壓許用載荷為3182 N。HB 6298-4×L鉚釘?shù)膯渭粼S用載荷為3100 N，則鉚釘連接的剩余強(qiáng)度為1.47，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖10 第44框弧形段的修理方案

表1 第44框加強(qiáng)件剖面計(jì)算

3.3 修復(fù)評(píng)估結(jié)論

某型雙座機(jī) 4號(hào)油箱修理后能夠滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求，修理時(shí)已對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)（原機(jī)框腹板厚度為1.2 mm，加強(qiáng)件腹板厚度為1.5 mm），主要修理部件的靜強(qiáng)度不低于原結(jié)構(gòu)。

4 改進(jìn)建議

某型飛機(jī)雙座機(jī)與單座機(jī)相比，由于耗油順序發(fā)生改變，對(duì)于同樣結(jié)構(gòu)的4號(hào)油箱會(huì)產(chǎn)生疲勞問(wèn)題，建議對(duì)某型雙座機(jī)4號(hào)油箱局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，方案如下：

1）改進(jìn)中部艙第44框鈑彎型材半圓弧末端鉚釘?shù)倪B接工藝，避免裝配應(yīng)力和制造缺陷的發(fā)生。

2）將鈑彎型材的厚度由1.2變?yōu)?.5，降低應(yīng)力水平。

3）取消鈑彎型材上不必要的開(kāi)孔，螺栓孔應(yīng)按盡可能小地削弱剖面的原則進(jìn)行排列。

4）改進(jìn)鈑彎型材與4號(hào)油箱下壁板的連接形式，從而改善止裂孔邊的疲勞品質(zhì)。

5 結(jié)論

1）4號(hào)油箱損傷故障檢查全面，使得該機(jī)所有結(jié)構(gòu)損傷均得到了充分的暴露。

2）從飛機(jī)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行受載、單雙座機(jī)型耗油工作原理及設(shè)計(jì)制造情況進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)役同類(lèi)型飛機(jī)的故障情況，認(rèn)為裂紋原因是4號(hào)油箱局部設(shè)計(jì)不合理，且飛機(jī)在作大過(guò)載飛行時(shí)，4號(hào)油箱可能處于滿(mǎn)油或大量余油狀態(tài)下導(dǎo)致的。

3）4號(hào)油箱修理方案經(jīng)強(qiáng)度校核后能夠滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求，針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷制定的修理方案可操作性強(qiáng)，修理后主要修理部件的靜強(qiáng)度不低于原結(jié)構(gòu)。

4）針對(duì)某型雙座機(jī)4號(hào)油箱疲勞問(wèn)題提出的建議能夠改善4號(hào)油箱的疲勞品質(zhì)，提高其疲勞壽命。