民用飞机结构损伤容限研究分析

刘松

摘要：随着科学技术的发展，公众对民用飞机的安全要求提出了更高的要求，业内对飞机的型号审定及持续适航关注度越来越高。在民用飞机适航领域，结构安全性作为重要的审查环节，其设计及维护理念也在随着科技的进步不断革新。本文通过对民用飞机结构损伤容限的分析，借助简单实例对评定方法进行梳理，并阐述了相应的损伤处理程序，以供参考。

关键词：民用飞机；适航；结构；损伤容限

一、损伤容限概述

民用飞机在整个使用寿命期间应避免由于疲劳、腐蚀、制造缺陷或意外损伤引起的灾难性破坏。损伤容限准则是通过一套科学方法确保飞机在使用过程中的损伤在达到临界尺寸之前能够被检查发现且完成修理，使得飞机结构可持续满足剩余强度的要求，保证飞机的使用安全。

二、损伤容限与耐久性的关系

耐久性和损伤容限是民用飞机结构设计必须满足的结构特性，根源在于民用飞机经济型和安全性的权衡，二者的简单含义如下：

耐久性是结构防止和抵抗损伤产生（包括疲劳、腐蚀、应力腐蚀、热退化、剥离、脱层、磨损和外来物损伤）白勺能力。损伤容限是结构防止损伤增长至灾难性破坏的能力。

现实中，耐久性和损伤容限很难完全分开，二者互为基础和制约。但二者的设计目标差异较大，耐久性设计的目的是：赋予结构高的疲劳品质，使结构具有对抗疲劳、腐蚀（包括应力腐蚀）和意外损伤的高度阻力，从而确保飞机以低维修成本达到长经济寿命。

损伤容限设计的目的是：使结构受损伤的危险性减至最小，通过断裂控制，保证在损伤使强度降至适航条例规定值（剩余强度要求）之前，以高概率及时检测出损伤，使结构修复后回到条例要求的强度，从而确保民用飞机的安全可靠。

三、损伤容限分析评定

（一）损伤容限评定任务

民用飞机结构的损伤容限分析评定任务包括飞机使用情况确认，重心过载系数谱编制，确定主要结构的危险部位，建立危险部位的应力谱，给出裂纹扩展速率，裂纹扩展分析，获得材料及相应构型的断裂韧性值，确定限制载荷下各部位的最大損伤程度，剩余强度分析，确定损伤部位的结构类型，生成裂纹扩展缺陷，确定检查方法和检查周期。

（二）损伤容限三要素

损伤容限包括三个同等重要的因素，它们是，剩余强度、裂纹扩展和检查大纲。

剩余强度分析主要工作是确定剩余强度许用值，该许用值体现了带裂纹结构实际允许的承载能力，以[σ]rs表示，它随裂纹长度增加而降低。评定要求该值必须不小于与CCAR25.571规定的剩余强度载荷要求相对应的应力σ要求。

裂纹扩展分析主要任务是在确定的使用载荷环境下，损伤从初始可检门槛值扩展到最大允许损伤之间的时间间隔，即裂纹扩展寿命。分析任务包括初始缺陷尺寸确定，裂纹扩展率确定及等幅载荷下裂纹扩展寿命计算和变幅载荷下裂纹扩展计算。其中裂纹扩展率确定主要受应力强度因子变程ΔK影响，该参数由Paris公式、Forman公式及Walker公式确定。

结构检查大纲编写是民用飞机型号审定工作的重要内容之一，大纲的基本目标是使飞机在整个设计服役目标期内，以可能的最经济的方法使结构的适航性保持在一个可容许的水平。要能最有效地利用现有的手段，保证及时地检测或预防由环境恶化，意外事故或疲劳引起的损伤。大纲必须在每种型号民用飞机投入使用前制订出来。

需要说明的是，由于剩余强度分析和裂纹扩展分析任务需要借助大量的函数迭代实现，计算任务量非常大，在工程实际中一般借助计算机软件实现，目前业内较为认可的分析软件有NASGROW和AFGROW等。

四、损伤的处理程序

（一）打磨处理

此种处理方法适用于磨损、腐蚀、非穿透性微裂纹、刻痕及划痕等局部性损伤。具体步骤如下：

1、使用专用打磨工具或化学溶液去除损伤区域漆层。

2、使用手册允许的研磨剂或打磨片，打磨去除损伤。为测得准确数据用以进行合适的修理，同时避免疲劳裂纹的扩展，损伤必须完全去除。否则，残留损伤会降低材料的抗疲劳强度，最终会引起裂纹产生，甚至可导致结构的整体失效。

3、使用无损探伤检测，确保打磨处理区域没有任何隐藏裂纹。

4、测量损伤深度或者部件的最小剩余厚度，并在工卡上准确记录结果。

5、按照结构修理手册的相应章节判断损伤是否允许并记录判断结果。如果是允许损伤，执行步骤6；如果不是允许损伤，则查找修理方案准备修理。

6、使用蘸有清洁剂的软布清洁损伤区域并对基体材料施加保护涂层及漆层。

（二）整形修复

此种处理方法适用于较薄的单层材料上的凹坑、弹性变形范围内的部件变形等损伤。对于部件或凹坑尺寸是否允许整形，则参考相关允许损伤章节和整形章节里面的要求。整形基本步骤如下：

1、详细目视检查凹坑状态并使用无损探伤检测现有凹坑区域有无裂纹。

2、如检测没有问题，则在凹陷一侧使用接近部件轮廓外形的沙袋或类似支撑，在另一侧使用胶锤或类似的非金属工具，沿凹坑环向向内轻轻移动敲击，直至恢复部件原始轮廓或凹坑尺寸满足允许要求。

3、无损探伤再次检测整形完成后的凹坑区域有无裂纹。

4、如满足要求则依据图纸或手册恢复部件涂层和漆层。

（三）更换或修理

此种处理方法适用于超出允许损伤标准的损伤部件。在对部件进行更换时，也会遇到各种问题，比如有些件因为种种原因购买不到，或者到货周期太长无法满足定检要求。鉴于此，一些飞机生产厂家也有自己独特的程序，用以更加方便、及时地协助航空公司或维修单位完成部件更换，比如波音公司的 SMAL（Spares Material Authorization License，简称SMAL）程序，可以翻译成航材自制授权书，是波音用以给客户提供相关的技术支持以加工制作波音零部件的程序。波音公司推出这个程序其用意在于，如果波音航材部门供货时间不能满足飞机维修要求，则可以通过 SMAL 程序提供所需要的技术图纸等资料，授权航空公司或维修单位自己加工制做该零部件，以避免出现因为等待航材而导致飞机停场周期延误的情况。需要注意的是，执行 SMAL 程序的前提是紧急订货（AOG），且航空公司和波音公司之间已经签订了客户服务总协定 CSGTA（Custom-er Service General Terms Agreement，简称 CSGTA），维修单位和波音公司之间必须已经签订了航材供货总协定HMSGTA（Hardware Material Service Gen-eral Terms Agreement，简称 HMSGTA）以及附加协议SLA-A（Supplemental License Agreement-Airframe）。对航空公司或维修单位来说，SMAL 程序无疑是解决这些关键问题的绝好方法，在做定检的时候会发现很多损伤，有些重度损伤只能使用新件来更换旧件解决问题，但却经常出现因为等待航材到货而导致飞机推迟出场的情况。这时如果应用 SMAL程序，将一些有能力加工制作而供货时间长的部件自制，会极大节省所需航材的等待时间，从而保证飞机的准时出厂，这将给公司和客户带来很大的效益。

五、结语

综上所述，针对民用飞机的结构损伤问题，相关工作人员必须熟知各种损伤的定义和性质，掌握损伤容限的分析与评定，在损伤处理时才能做出正确、快速的判断。绝对允许损伤超标的飞机放行，为飞机的安全运行提供可靠保障。

参考文献：

[1]林明杰.民用飞机结构修理中加大紧固件问题强度分析研究[J].科技创新导报，2017，14（20）：21-22.

[2]蔡禹舜.民用飞机金属与复合材料结构损伤评定差异性研究[J].航空科学技术，2016，27（08）：21-26.