民用飞机结构衬套修理及强度评估

郑浩

摘 要：安装衬套是民用飞机生产过程中一种常用的修理方法，用于修理民用飞机生产过程中紧固件孔偏离图纸要求的问题。该文中依据长期的工程经验，概述了衬套在民用飞机生产过程中的使用范围，衬套的制作和安装要求，安装衬套后的靜强度和疲劳强度的工程评估方法，从而协助工程人员快速、准确地处理工程问题，使衬套修理方法满足强度和结构功能的要求，从而满足民用飞机的适航性要求。

关键词：衬套 民用飞机 修理

中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：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

衬套是民用飞机常用的结构之一。设计人员在进行飞机设计时，为了增加可更换的抗磨损表面，或提供具有较低摩擦力的摩擦面，会在活动接头中考虑设计衬套。

同在飞机生产过程中，工程人员也会大量使用衬套。但是与设计人员的目的不同，工程人员使用衬套的唯一目的是修理超差孔，使之满足图纸上的容差要求。工程人员使用实心衬套堵住经过圆整的超差孔，然后穿过衬套安装图纸要求的紧固件，从这个意义上讲，安装衬套也是一种特殊形式的堵孔[1]。

1 衬套使用范围

飞机生产过程中，由于工人操作失误，零件多次拆装，零件状态与图纸不协调或设计错误，都有可能导致孔径超大，奇异孔，孔边损伤，埋头孔锪窝尺寸超大或装配孔错位等偏离图纸要求的问题出现。工程人员为了处置该类问题，使飞机满足功能、强度和适航的要求，通常会使用在偏离图纸要求的孔内安装实心衬套，然后在衬套内制孔安装图纸要求的紧固件的方法。

但是，考虑到具体部位的受力情况，通常在以下情况不使用衬套修理。

（1）紧固件孔短边距（紧固件孔中心距离零件边缘小于某一值，金属材料上通常认为该值为2倍的紧固件孔直径）时不能使用加衬套的方法来解决，因为加衬套不仅不会增加边缘剩余材料，反而会进一步削弱构件，增加受拉时的应力集中。

（2）紧固件受拉部位不能使用衬套进行修理，衬套修理仅用于受剪紧固件连接部位。

2 衬套形式

民用飞机修理用衬套按其外形可分为柱状、埋头及台阶衬套，衬套外形示意图如图1所示。

柱状衬套为最常用的衬套，若无特殊要求，修理一般使用柱状衬套；当紧固件孔锪窝出现偏离时，也会使用埋头衬套，考虑到埋头衬套和孔的干涉等直段较小，在衬套中心制孔时，衬套容易在衬套孔中旋转，可以使用密封剂湿安装等方法解决该问题；当需要增加单侧的阻挡，防止衬套脱落，可使用台阶衬套。

衬套材料必须与修理区域的结构材料相容，条件允许优先使用相同材料，保证二者力学性能相当，并避免电化学腐蚀。

3 衬套孔制孔要求

为了降低对强度的影响等，加衬套时需使去除的原结构材料最少（在保证衬套最小壁厚的前提下），图2给出了部分典型偏离孔扩孔（安装衬套）方法的示意。

方法1：紧固件在衬套上孔必须与原孔同心（例如其它零件上已制孔，所以无法移动孔位）；此时r

方法2：紧固件在衬套上孔必须与原孔同心（例如其它零件上已制孔，所以无法移动孔位）；此时，，一边与偏离处相切。

方法3：紧固件在衬套上孔可重新定位（例如其它零件上孔未制孔或可借孔，或可以更换不带孔的新零件）；此时，扩孔两边均与原孔相切；此时圆心（紧固件中心）可移动至O（衬套中心）或其周围（O为圆心，半径为的圆），衬套上孔可偏心。

方法4：紧固件在衬套上孔可重新定位（例如其它零件上孔未制孔或可借孔，或可以更换不带孔的新零件）；此时，；此时圆心（紧固件中心）移动至O（衬套中心），衬套上孔不可偏心。

4 衬套制作和安装方法

在制作衬套，确定衬套尺寸时，为了保证堵孔能够降低应力集中系数，通常要保证衬套和基体材料的紧固件孔有足够的干涉量，并且在衬套上制紧固件孔后，衬套上仍需有足够的剩余厚度。为了使紧固件而非衬套承受多层零件之间的剪切载荷，当衬套穿过两层或更多层结构时，应分层加衬套。由于衬套与衬套孔存在干涉量，衬套直径大于孔径，故安装时须冷冻安装；对于钢材料衬套，不能使用液氮冷冻安装，可使用干冰冷冻安装。

5 衬套修理的静强度评估方法

根据工程经验，衬套修理对静强度的影响主要体现在减少了原结构的承载面积，因此静强度评估包括边距、间距和端距影响评估，具体评估方法可用下面的公式快捷并偏保守地计算[1]。

5.1 边距影响评估

根据图3描述，修理衬套直径为D，边距为B，受载方向与短边距相关边缘平行，单紧固件载荷为PA，板材厚度T，材料拉伸极限值为FTU，材料旁路应力FB，净边距为C=B-0.5D，短边距处拉伸破坏载荷PT：。

若PT大于PA，则衬套修理后，结构不会由于短边距发生拉伸破坏，边距满足静强度要求。

5.2 间距影响评估

根据图4描述，修理衬套直径为D，间距为S，受载方向与紧固件排列方向平行，单紧固件载荷为PA，板材厚度T，材料剪切极限值为FSU，钉间剪切破坏 PD：。

若PD大于PA，则衬套修理后，结构不会由于短间距发生剪切破坏，间距净材料满足静强度要求。

5.3 端距影响评估

根据图5描述，修理衬套直径为D，端距为W，受载方向与短端距相关边缘垂直短端，单紧固件载荷为PA，板材厚度T，材料剪切极限值为FSU，距处剪切破坏载荷PS：。

若PS大于PA，则衬套修理后，结构不会由于短端距发生剪切破坏，端距净材料满足静强度要求。

6 衬套修理的疲劳强度评估方法

基于DFR法进行疲劳强度评估，衬套修理主要影响结构的DFR值。

关于典型制造偏离的衬套修理部位主要为有紧固件细节部位，结构连接部位衬套修理前的DFR值計算公式为[2]：

各个参数对结构疲劳强度影响不同，有利有弊，综合分析可知：衬套孔径的增大会减少孔挤压应力；衬套高度直径比的降低会减少剪切面上的尖端效应；安装形式采用冷冻安装可以避免孔壁损伤等；这些方面对结构疲劳强度有利。

衬套孔径的增大，边距、间距或者端距减小会加剧应力集中；衬套孔径增大，孔边接触应力会降低；这些方面对结构疲劳强度不利。

现保守考虑，忽略有利因素，仅考虑两项不利因素，因此，原DFR值可修正为：。其中K1为边距、间距和端距修正系数；K2为试验修正系数。

修正系数K1反映了应力集中的影响，边距、间距和端距的修正系数分别如图6、图7和图8所示[3]。

衬套试验修正系数K2反映了孔边接触应力变化对结构疲劳强度的影响，根据试片级试验数据得出结论，在衬套无短边距情况下，衬套修理前后DFR值变化显著，衬套修理后DFR试验值相比衬套修理前DFR理论值降低15%，尽管试验存在工艺不稳定等因素，仍保守认为衬套修理对原结构DFR值存在明显不利影响，取试验修正系数K2为0.85。

7 结语

衬套修理是民用飞机领域常使用的修理方法，该文概述了衬套在民用飞机生产过程中的使用范围，衬套的制作和安装要求，安装衬套后的静强度和疲劳强度的工程评估方法，能够保证工程人员快速、规范地解决孔径超大、奇异孔、孔边损伤、埋头孔锪窝尺寸超大或装配孔错位等偏离图纸要求的问题，以满足民用飞机的安全性和适航性要求。

参考文献

[1] 中国航空工业总公司第640研究所.麦道飞机联络工程手册[M].北京：航空工业出版社，1997：60-61，63-65.

[2] 《飞机设计手册》总编委员会.飞机设计手册-载荷、强度和刚度[M].航空工业出版社，2001：211.

[3] 《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》编委会.民机结构耐久性与损伤容限设计手册（上册）[M].北京：航空工业出版社. 2003：217-218.