基于有限元分析的航空器维修模式初探

陈俊逸

（深圳航空有限责任公司维修工程部结构修理车间，广东 深圳 518128）

基于有限元分析的航空器维修模式初探

陈俊逸

（深圳航空有限责任公司维修工程部结构修理车间，广东 深圳 518128）

有限元分析与航空器修理工作的有益结合能帮助现场工程师综合分析与优化现场修理工作。本文通过对实际修理问题的建模和仿真分析完成对修理工作及部件的优化，并在此基础上归纳总结出该维修模式的特点与目前存在的问题，提出未来有限元与航空器修理有益融合的双赢平台模式。

有限元；航空器；民航维修；双赢模式

随着科技的发展，有限元分析技术已广泛应用到航空航天器械设计领域，许多大型成熟的商业软件亦能实现各式各样的仿真与分析，直接降低了科研项目的成本经费并获得一线工程技术人员的青睐。近年，有限元分析与航空器结构修理乃至整机修理的结合成为全球各大航空器OEM、MRO、大修基地及维修机库在进行航空器修理工作过程中探索的又一亮点。

现代专业有限元分析软件通过对单元类型、有限元分析理论及各类有限元方程解法的不断整合与优化，努力让工程技术人员从纷繁复杂的计算问题中解脱出来，使现场问题与有限元分析更易融合。对于航空器维修现场而言，工程师仅需掌握受损结构件及修理加强后组件的建模仿真分析技能，便可根据需要完成某项修理工作的可靠性综合分析或对其进行优化，整体分析工作目标明确且操作起来更便捷有效。

1 有限元分析技术的引入

有限元方法集多学科理论知识于一体并有其独特的理论基础和计算方法，其基本逻辑是将求解域离散成许多小的有限元互连子域，并对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，再进行推导求解这个域总的满足条件（如结构平衡条件），从而得到问题的解。航空器结构受力情况复杂多变，应用有限元分析方法将实际问题转化为能够表示实际连续域的离散单元集合，通过高精度数值计算完成对部件模型的仿真分析，从而提取部件或加强件的综合数据来指导实际修理工作过程。

例如在很多的航空器雷达罩抗鸟击设计过程中，应用有限元分析软件完成雷达罩鸟击这一瞬时高度非线性冲击动力学仿真过程，来不断优化雷达罩的抗鸟撞性能，从而节省实验费用，同时亦提高整体研开发效率。

2 航空器修理与有限元的有益结合

航空器在役期间由于候鸟迁徙、跑道沙石FOD、冰雹袭击、雷击等原因都将导致突发性的结构损伤，此类损伤往往具有小区域及单独部件受损的特点。例如：缝翼前缘鸟击产生的凹坑、后缘襟翼FOD造成的弹坑、水平安定面前缘鸟击造成的凹坑、结构腐蚀等损伤。此类非计划性的损伤一般局限于单个部件中，所以在航空器结构部件的建模分析过程中无需像整机研开发那样考究更为纷繁的整体综合建模问题，可以针对性的就受损部位或部件进行单独建模，并对局部受损修理问题展开可靠性及强度等分析即可达到减少计算量并对修理工作优化的目的。工程人员可以选择自己熟悉的一款3D软件完成部件的特征建模，再生成有限元分析软件的所需的图形文件进行导入，便可根据需要获得修理部件的仿真数据来发现问题并对修理措施进行优化，使修理获得更精确的理论数据支持，最终获得部件可靠性更高的维修方案与结果。

3 应用实例

利用有限元分析软件能帮助现场工程技术人员更综合的考虑和发现现场问题，并对具体的修理措施进行优化。

3.1 空客A320后缘襟翼前缘修理分析

空客A320后缘襟翼前缘由碳纤维制成，受飞机起降气流影响FOD撞击穿孔是该部件常见的损伤；根据空客SRM修理手册该部件在容伤可修范围内有两种修理方式（图1、2）：铝合金钣铆加强和预浸料纤维织物铺层修理，两种修理方式的优劣就可以通过有限元仿真来获取（仅以等速压变形及固有频率分析为例，数据见表1。

通过对两种修理方式的特征建模仿真可以直观的知道两者的优劣，其中钣铆形式具有快捷便利的特点，但其修理强度及固有频率（抗震）却不及预浸料修理的效果。

图1 钣铆修理0.1MPa速压变形云图

图2 预浸料修理0.1MPa速压变形云图

表1 Hz

3.2 搭接处铆接优化

航空器结构大量使用到钣铆工艺，但钣铆质量的好坏直接影响部件的整体性能与耐久性；通过有限元建模分析可以在执行维修工作前发现修理工作的隐患缺陷从而进行针对性的优化，如图3所示发动机某处钣铆搭接处的建模分析。

图3 钣铆搭接处简化建模分析

通过对简化模型加载并对铆钉1和2中心剖开，发现其中最大应力为412．5MPa，已超出钣件的屈服应力355MPa，并发现造成原始损伤的开裂原因；对3、4铆钉进行同样剖面分析却发现其中心最大应力为299MPa，能满使用设计要求（图4）。针对此问题，可以通过将铆钉1和2内控的尺寸减少或是将外孔的尺寸增加以减少铆钉中的最大应力，增加部件的耐久性。

图4 铆钉中心应力图

通过上述例子知道有限元分析有助于航空器维修现场的工程问题分析从而做出合理的工作安排；同时有限元分析还能能发现局部的设计缺陷进而进行优化延长部件的耐久性和经济性。

4 融合模式及展望

有限元分析方法对于航空维修工作是十分有效且省时省力的分析手段，就维修工作与有限元融合而言亦有着其自身的特点。

（1）飞机自身设计的安全性能及容伤裕度足以确保单独部件修理过程中简化模型有限元分析高度概括性的可靠程度；

（2）修理模型简化的方法既取决于结构的特点，而又受制于整体强度校核方法的要求（满足原始设计要求）；

（3）修理模型的针对性更强，对局部分析更清晰；优化的结果针对性更强；

（4）模型简化对分析人员的经验与技能提出了更高的要求，也严重地制约了有限元分析的推广；

（5）非典型修理结构的有限元简化模型存在不确定性；

（6）线性分析难以满足航空器高度复杂受力分析。

结合以上特点及未来航空器修理工作的发展，未来航空器有限元分析工作的框架将如图5所示。通过航空器生产商完成并提供整机有限元模型库（航空器生产商在航空器研发阶段已大量使用到有限元分析模型），已提供更精准的边界条件、细节特征及原始设计参数等；现场维修工作人员仅需根据实际受损部件件号找到对应的局部子模型并对修理工作进行需要的非线性分析与优化，再通过回装全机有限元模型仿真验证，进一步确认修理工作后部件的修理强度结果；最终实际修理工作获得理论的支持，更大程度提升航空器修理工作的可靠性与安全性。

同时通过将相关数据的共享，生产商亦能收集和获取航空器初期设计的局部问题与优化方案，从而节省了该项目的二次开发的部分经费。

图5 整机有限元模型库应用

5 结语

有限元分析与航空器修理工作是一项有益的融合，本文通过有限元分析简介和实际修理分析的应用证明有限元分析能够发现并完善航空器修理现场的细微问题，并提供优化设计工作的仿真结果，为实际优化修理工作提供数据支持，理论联系实际的提升整体修理工作的安全性与可靠性。同时，文章对有限元分析与航空器修理融合的特征与问题进行了归纳整理，并在此基础上提出一种两者未来有效融合的维修模式；基于有限元分析的航空器修理模式的普及不但是生产厂家与维修现场进一步联合共赢的发展平台，更是未来发展的趋势。

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