飞机结构修理新技术

1飞机结构修理新技术二○○九年六月黄卫华2一、飞机结构设计基本知识（一）飞机设计思想和设计规范的发展（二）飞机结构的发展和演变（三）飞机结构的功能和特性（四）飞机结构强度基本概念（五）飞机结构优化和细节设计二、飞机结构修理基本知识（一）结构修理基本要求（二）飞机结构修理技术员的知识要求目次3三、飞机焊接修理新技术（一）焊接的概念（二）飞机典型构件的焊接（三）常用焊接方法（四）焊接技术的新发展四、飞机复合材料修理技术（一）复合材料损伤的修理（二）复合材料修理固化设备（三）金属结构损伤的复合材料修理目次4返回表1（一）飞机设计思想和设计规范的发展静强度设计30年代仅考虑到飞机的静强度和刚度要求，在设计中引入一个安全系数，使飞机在使用载荷下的构件应力乘以安全系数后仍低于材料的强度极限，即在使用载荷下不产生永久变形，在设计载荷下不发生结构破坏。一、飞机结构设计基本知识5疲劳安全寿命设计50年代提出，即以全使用寿命期中不发生危及飞机安全的结构疲劳破坏为设计目标和强度准则。这一设计思想的转变，改变了单纯追求材料强度的倾向，开始重视材料的疲劳性能，即材料的韧性和抗应力腐蚀性能。一、飞机结构设计基本知识■6由于疲劳试验的分散性和飞机在使用中的载荷谱可能比试验谱（设计谱）更为严重等原因，因此在确定飞机寿命时应考虑一个分散系数K，以保证飞机绝对安全，规范规定K=4～6。试验寿命/分散系数=安全寿命一、飞机结构设计基本知识■7损伤容限设计1977年美国空军颁布的规范MIL-A-008866A中增加了损伤容限设计要求。即增加了破损—安全结构要求和安全裂纹扩展要求。我国1985年颁布的国军标GJB-67系列-军用飞机强度和刚度规范就是采用了这一设计思想。损伤容限设计思想对材料的断裂韧性。即裂纹扩展性能更加关注。一、飞机结构设计基本知识■8安全寿命/破损安全设计的设计思想：承认结构中会产生缺陷，通过增加抗断裂设计，即让结构具有抵抗裂纹扩展的能力来保证安全。损伤容限设计的设计思想:(1)认为结构从开始使用起就包含有初始裂纹a0(2)允许缺陷在使用过程中扩展；(3)合理安排检测周期，保证裂纹快速失稳扩展之前将其检测出来。一、飞机结构设计基本知识■9耐久性设计1985年又公布了新的飞机结构通用规范MIL-A-87221,在总结了设计和使用经验的基础上，形成一套完整的耐久性设计规范，明确了耐久性设计与其他设计要求特别是损伤容限设计的相互关系。现在，反应经济性全寿命要求的耐久性设计已经成为设计新一代飞机基本要求。耐久性设计地在损伤容限设计的基础上增加经济性的影响。力图通过细节设计，增加结构抗腐蚀、抗疲劳能力，避免不经济的维修。一、飞机结构设计基本知识■10（二）飞机结构的发展和演变飞机性能的不断提高，要求飞机的气动外形、结构形式、材料和制造技术不断改进。机翼相对厚度减小，但是还必须保证足够的抗弯强度和刚度；为了减小阻力，机身的最大横截面积受到严格限制，而装载的增加又使结构高度减小；一、飞机结构设计基本知识■11与此同时，飞机的载荷不断增大，使用过载、寿命和可靠性要求不断提高，所有这些都要求飞机设计者尽可能地提高结构效率，避免付出更多的重量代价。因此，轻质、长寿命和低成本是飞机结构设计最求的三大目标，而减轻重量成为飞机设计的重要原则和始终追求的目标。一、飞机结构设计基本知识■12结构重量系数结构重量相对飞机起飞重量之比。是反映飞机设计结构效率的参数，在一定程度上体现了机体结构设计的先进性。第二代战斗机大约为33%～34%；第三代战斗机约30%～31%，而第四代战斗机的结构重量系数为27%～28%。一、飞机结构设计基本知识■13轻质（量）采用轻质材料：经验表明，材料密度减少10%，结构重量基本上可以实现减轻重量10%；而材料机械性能（如：强度值）提高10%，结构只能实现减重3%左右。这是因为材料密度的变化对飞机设计其他因素影响极小，而材料强度性能的发挥要受到其他条件的制约。一、飞机结构设计基本知识■14长寿命实现飞机结构长寿命的目标，主要有以下途径：●先进的设计规范、设计方法和分析手段；●高强度、高韧性、高损伤容限性能的材料；●合理的总体结构布局和细节设计。一、飞机结构设计基本知识■15低成本随着新结构、新材料、新工艺的大量采用，机体结构的成本迅速攀声升。因此飞机研制和采购的经济可承受性成为突出问题。在满足飞机性能前提下，采用低成本的材料和制造技术受到重视。特别是钛合金和复合材料的低成本先进制造技术得到迅速发展和应用。一、飞机结构设计基本知识■16先进的结构布局和结构形式结构布局和结构形式是飞机机体的先天品质第一代战斗机多采用机头进气和后掠机翼，机体结构以铝合金和钢为主，薄蒙皮/长桁，板金铆接框的半硬壳式结构。一、飞机结构设计基本知识■17第二代战斗机突出高空高速的设计主导思想，因此气动布局多采用大后略角或小展弦比的三角翼。结构形式仍为金属半硬壳式，但出现了整体壁板、金属蜂窝等轻质结构，材料以高强度铝合金和结构钢为主，结构仍以铆接为主。一、飞机结构设计基本知识■18第三代战斗机突出了空中优势的设计主导思想，结构布局出现了翼-身融合、大边条机翼、前缘机动襟翼、鸭翼、无尾、腹部进气等先进气动和结构布局形式。主体结构大量采用整体结构的框、梁和壁板、整体油箱。钛合金、铝锂合金、复合材料等先进轻质结构显著增加。一、飞机结构设计基本知识■19第四代战斗机突出先敌发现、先敌攻击、先敌制胜的设计主导思想，隐身和超音速巡航使飞机的气动和结构布局与三代机相比出现了本质的区别，出现了隐身外形、S型进气道、内埋武器舱。多墙机翼、大型复合材料壁板等新结构。一、飞机结构设计基本知识■20（三）飞机结构的功能和特性1.飞机结构的基本功能●通过维持外形保持飞机的空气动力性能；●承受飞机各种载荷作用的强度功能；●为系统、设备其提供可靠工作环境的装载平台功能。一、飞机结构设计基本知识■212.结构大部件的划分和功能●机身--为驾驶员提供适宜的工作环境、为发动机、航空电子设备、燃油及系统管线提供通路和安装支持。●机翼、尾翼--为飞机提供起飞着陆和飞行中的升力和操纵灵敏和安定性，也装载燃油和挂载武器。●起落装置--承受起飞着陆载荷，保证飞机的起飞着陆安全。一、飞机结构设计基本知识■223.飞机结构的受力和传力特点飞机机体结构主要承受以下载荷：●总体气动载荷-作用在翼面和机身表面的空气动力载荷●发动机载荷-发动机推力●控制面载荷-各操纵面上作用的载荷●局部载荷-进气道、座舱压力、燃油舱压力、武器发射、起落架载荷●质量载荷-飞机结构质量、系统、设备质量惯性力。一、飞机结构设计基本知识■234.结构的传力路线传力路线是指飞机结构受载后，是如何沿相互连接的结构元件传递和扩散的。●总体气动载荷的传递：纵向-大梁、蒙皮-长桁、或整体壁板。横向-隔框（加强框）、肋。一、飞机结构设计基本知识■24●局部载荷的传递：进气道、燃油舱、座舱的压力主要靠结构自身平衡并以剪流形式传给相邻结构。航炮发射、导弹发射、起落架等冲击载荷主要靠飞机的支持接头、挂点承受，并通过一段范围的加强结构传递和扩散吸收。一、飞机结构设计基本知识■25质量惯性力载荷：由空气动力升力平衡。设备的质量载荷通过安装接点和过渡支架传给机体结构飞机结构的传力特点：飞机的机体结构多为复杂的静不定结构，载荷传递的基本特点是按刚度分配和走最直接路线。一、飞机结构设计基本知识■265.结构件的受力功能和特点●机身大梁—承受飞机纵向总体弯矩，上下缘条受拉、压，腹板受剪。●机翼大梁（纵墙）—承受机翼沿展向的弯矩，上下缘条受拉、压，腹板受剪。●加强框—承受大部件结合载荷，如机身-机翼对接、起落架安装支柱固定点、进气道挂点、发动机安装交点，密封舱的前后端框等。一、飞机结构设计基本知识■27●普通框—维持机体的气动外形，并对飞机的蒙皮、壁板提供支持以提高其稳定性（含隔板、肋）。●蒙皮、壁板—承受表面气动载荷薄蒙皮-长桁壁板以剪流形式承受和传递载荷。厚的加筋整体壁板除剪力外，还可以承担部分由飞机总体变形产生的正应力。上翼面受压，下翼面受拉。框、蒙皮、梁的腹板不能承受垂直于其腹板面的载荷；开剖面结构不能承受扭转载荷。一、飞机结构设计基本知识■28●长桁—对蒙皮提供支持，提高蒙皮的稳定性。●角盒/带板—连接相邻结构，实现载荷传递。●接头—承受集中载荷，除保证自身强度外，必须考虑集中载荷的传递和扩散。●口盖—由螺钉或承力锁连接的受力口盖和由快卸锁连接的非受力口盖。一、飞机结构设计基本知识■29（四）飞机结构强度基本概念1.飞机结构设计的目标设计出符合总体气动性能要求、各功能系统安装协调要求、满足使用维护要求、寿命要求和强度重量指标的轻质、长寿命、高可靠性、低成本（经济可承受性）的机体结构平台。一、飞机结构设计基本知识■302.设计规范和强度计算原则它是设计顶层指导文件，在设计选择贯彻。我国在军用飞机设计中采用的主要规范有：●军用飞机强度和刚度规范（(GJB67.1-67.12-85)●军用飞机损伤容限要求(GJB776-89)●军用飞机结构完整性大纲飞机要求(GJB775.1-89)●军用飞机通用规范(GJB2876-97)●飞机强度规范（试用本）在飞机设计中，针对具体型号还要制定出专门的《强度计算原则》供设计贯彻执行。一、飞机结构设计基本知识■313.载荷、安全系数和强度使用载荷—飞机在使用中可能实际遇到的最大载荷。又称限制载荷（Limitload）设计载荷—使用载荷乘以一个安全系数。又称极限载荷(Ultimateload)安全系数—即设计载荷与使用载荷之比f=Psj/Psy一、飞机结构设计基本知识■32附加安全系数—对于要求增加刚度和安全性的重要零、部件，设计时可放大它的安全系数，这个放大部分称为附加安全系数。过载—作用在飞机某方向上的所有力之合力与飞机当时的重量之比，叫做该方向上的过载，通常用G来表示。一、飞机结构设计基本知识■33应力—在外载荷作用下，结构元件剖面单位面积上产生的抵抗内力。应变—结构元件受载后，产生的单位长度的变形量。强度—在特定载荷作用下，结构抵抗破坏的能力。刚度—结构在载荷作用下抵抗变形的能力。一、飞机结构设计基本知识■34许用应力—将材料的强度极限或屈服极限除以一个大于1的安全系数，作为强度校核计算的限制和判据。通常用[σ]表示。设计剩余强度—在设计载荷作用下，材料的许用应力与构件的工作应力之比。即构件的实际设计安全裕度。一、飞机结构设计基本知识■35强度极限σb—某种材料在拉伸试验中能承受的最大破坏应力，或称破坏强度。屈服极限σs—当外载荷增加到某一值时，即使应力不再增加，它的变形仍继续增加，这时的应力称为材料的屈服极限。条件屈服极限σ0.2—大多数材料在拉伸曲线上无明显的屈服阶段，这时采用塑性变形量为原标距长度0.2%时相对应的应力为屈服极限。比例极限σp—应力与应变成比例的上限值，也称弹性极限。一、飞机结构设计基本知识■36金属材料典型拉伸曲线σbσsσ0.2σpδ%σ一、飞机结构设计基本知识■37疲劳的基本概念—结构或构件在循环（交变）应力作用下，发生的失效，称为疲劳失效，简称疲劳。结构在循环应力下的疲劳破坏，与静力下的失效有本质的区别。飞机结构的破坏绝大多数属于疲劳破坏，因为飞行中几乎没有严格意义上的静载荷，多为随机循环谱载荷。一、飞机结构设计基本知识■38疲劳破坏具有以下特点：1）破坏时的应力低于材料的强度极限，甚至低于材料的屈服应力。2）疲劳破坏需经历多次应力循环才会发生，即破坏是一个累积损伤过程；3）破坏时一般无明显的塑性变形，即表现为脆性断裂；4）破坏断口通常呈现明显的靠近疲劳源的光滑区和远离疲劳源的粗粒状区。一、飞机结构设计基本知识■394.结构的寿命、损伤容限和耐久性、结构完整性安全寿命—采用大的分散系数获得极低的疲劳开裂概率以保证预期的使用寿命，保证飞机的安全。损伤容限—机体结构在给定的未修使用期内，抵抗因结构存在缺陷、裂纹或其他损伤而引起破坏的能力。（缓慢裂纹扩展结构和破损安全结构）一、飞机结构设计基