飞机机身隔框维修方案设计

飞机机身隔框维修方案设计摘要：

本文通过对飞机机身隔框经常出现的故障维修问题进行探讨，进一步分析机身隔框的受力情况，并提出了一套对机身隔框维修方案设计、简明实用、可推广使用。

关键词：隔框接头定位基准铆接

引言：大型民机机身隔框多数采用铝合金板材成形。成形方法有几种，典型的一种是用型辊成形机将卷材成形出Z形截面型材，然后用外形滚弯成形机进行R 为1.5～3mm的滚弯，固溶处理后进行拉形以去除固溶处理变形和调整成形精度。

在这些工序中，拉形占生产成本中的模具费和劳务费比例很大。因此，降低成本的一个重要手段是取消这种拉形。要取消拉形，必须解决两个问题。其一是确定一种消除固溶处理变形影响的工艺过程；其二是提高外形成形本身的精度。前者已提出了带有新热处理方法的工艺过程。这种滚弯成形前实施固溶处理的方法，由于其后自然时效硬化进展的不同而对成形精度影响大，所以采用回归处理进行软化以使材料稳定。另一方面，为提高外形成形精度，必须提高成形辊的位置精度及其重复性。采用五级辊成形装置将全部成形量分配给三个过程的成形方法，经过适当的分配即能防止扭曲等变形。装机后维修在隔框一生中扮演着很重要的角色，下面就来谈一谈它的维修。

⒈隔框的概述

作为横向元件的隔框分为普通框和加强框。普通框主要维持机身的截面形状，承受蒙皮的局部载荷。普通框一般为环形框。当机身为圆截面时，普通框的内力为环向拉应力；当机身截面有局部接近平直段时，则普通框内就会产生弯力。

加强框除上述作用外，主要功用是将装载的质量力和其他部件（机翼、尾翼等）上的载荷，经连接接头传递到机身结构上，将集中力加以分散，然后以剪流的形

式将力传给机身蒙皮。

现代飞机上的框大都由铝合金或钛合金板材制成。为此，这里只重点讲述铝合金框损伤维修。由于钛合金跟铝合金框损伤维修差不多，在介绍钛合金框的损伤维修过程中只介绍注意的一些问题和具有钛合金框特殊的焊接修理。

⒉隔框的受力分析

2.1加强隔框受垂直集中力的情况

环形隔框一般由内外凸缘.腹板和支柱等组成。当它受到垂直于隔框平面内的力P时就要产生轴向力，剪力，弯矩。由于隔框是静不定结构，各内大小及等剖面圆形框各种外载荷的内力均已制成图表，很容易查出。由于隔框受的轴向力和剪力是次要的。因此，这里只分析隔框受的弯矩变化情况。

为了更好地明白隔框的受力情况。假设蒙皮的支反力是作用在隔框两侧的集中力R，再假设将隔框下部分切开，如图1所示。

图1隔框的变形

这就能够明显地看出隔框在受载荷P及支反力R的作用下相当于一根中间受载荷的双支点曲梁。曲梁的最大弯矩在集中力作用点附近，其弯矩如图2所示

图2 隔框的弯矩图

隔框在载荷作用下变形时内外凸缘，腹板和支柱起着不同的作用。其中：内外凸缘承受由弯矩M产生的轴向力N=M/h，而腹板受剪切，同时轴向力N也会带来压力S，即沿半径方向大小相等方向相反。使腹板受压也会使支柱受压，支柱就是为了提高腹板的抗压能力而设置的。

从图1还可以看出：如果载荷P的大小不变，随着隔框的直径增大使两侧支点反力与集中载荷P之间距离L也增大。这将会使集中力作用处的隔框截面上的弯矩增大。因此，在可能的情况下往往将外载荷作用点安置在隔框的两侧，使L尽量的减少，从而减少隔框的弯矩。

2.2加强隔框承受水平载荷时的情况

作用于加强框的水平载荷通常是不对称的（如图 3 ）。

图3 非对称载荷的传递

来自垂直尾翼的载荷P，它对隔框的作用相当于一个作用隔框中心处的力P 和一个对隔框中心的力矩（即对机身的扭矩）M扭。

加强隔框受扭矩M扭时，要在自身平面内旋转。蒙皮组成的合围框具有较大的抗扭刚度。它能通过铆钉来阻止隔框的旋转，给隔框以一圈反作用剪流来平衡。这样加强隔框便沿周缘的铆缝把M扭以剪流的形式传给了蒙皮。

由此可见：加强隔框承受水平载荷时，将同时有两个剪流在隔框周缘产生。也就是平衡侧力P的剪流和平衡M扭的剪流。这两个剪流的代数和就是周缘各处总剪流的大小。在水平载荷作用下隔框上部两个剪流方向相同，而下部则相反。因此，隔框上部受力较大，往往做得较强，且该处蒙皮也较厚。

2.3加强隔框承受集中弯矩的情况

如图4所示的是机身上固定机翼接头的一种整体环形加强隔框。隔框承受着机翼主接头传来的对称弯矩M机翼（M机翼=TH）和对称剪力P机翼。为了说明隔框的受力情况沿对称面取半个隔框来分析，由于这种隔框受对称载荷，所以对称面的弯矩很小，即：可假设隔框是两半个隔框铰链连接在一起并忽视掉蒙皮剪流的作用。

图3 环行加强框受力分析

这样两半隔框的截面上就有水平轴向力NA，它的值为NA=TH/2r

隔框任一剖面的弯矩大小等于轴向力为NA乘上它与该截面重心之间的距离，即：B-B和C-C的弯矩为MB=NA﹡L1 MC=NA﹡L2

很容易得出最大弯矩产生在机翼翼梁连接接头附近。若机翼放在中间，则M 弯最大=NA（r－H/2）=TH/2（r－H/2）

由于r>>H/2 于是有 M弯最大=TH/2

它的最大剪力值在接头上下耳片之间即：Q最大=T－NA=T/r(r－H/2)≈T 因此，通过分析看出：环形加强框是作为一个圆环，主要以框缘的形式来承受和传递框上集中力的。

⒊隔框维修方案设计

3.1隔框损伤范围较小时的维修

3.1.1 裂纹的维修设计

对于裂纹长度在5毫米以内的框而言，由于框的强度削弱不多，维修时可在裂纹端头钻直径1.5～2毫米的止裂孔后使用。钻止裂孔时，止裂孔的位置非常重要。如果止裂孔没有钻在裂纹的尖端，它就不能消除裂纹尖端处应力场的奇异性，也就起不了止裂作用。还有一种裂纹也不大于5毫米，它出现在减轻孔、槽口等原切口边缘处。对于这种裂纹应将裂纹锉修圆滑，不必加强。

对于框上的裂纹长度大于5毫米但没有超过框截面厚度的1/3时，除了在裂纹末端钻上止裂孔外，还需要铆上一块与框材料相同厚度也相同的加强片。它的尺寸形状则根据裂纹而确定，一般在裂纹每边铆1～3排铆钉即可。当超过截面厚度的1/3时，框的强度降低太多，应按断裂方法维修。

3.1.2 变形的维修设计

框的腹板是框易出现变形的地方，对于它可以采用整形的方法来恢复平整。而铆接加强片或型材是对整形后仍有鼓动的维修方法，从而提高框的稳定性。加强片的材料、厚度与框相同，尺寸则稍大于变形的部位，每排可铆2排以上的铆钉。

型材的安装方向必须根据框的受力情况而确定。加强型材应安装在隔框的径向。由于飞机在飞行过程中作用于隔框上的压力通常沿着隔框的径向，这样安装能有效地发挥型材的作用，从而提高框受压的稳定性。

3.1.3破孔的维修设计

破孔一旦产生，由于它在框上的位置不同，从而要采用不同的维修方案。

破孔出现在框腹板的中部。只需将损伤的部位锉修整齐，用两排铆钉沿破孔的四周铆上补片。补片的饿材料和厚度与破孔的框相同。