蒙皮穿透裂纹损伤胶接修理的强度评估

于克杰 周炜 孙修柱

摘要：基于有限元计算方法，对某飞机机翼蒙皮裂纹损伤胶接修理方法进行了强度评估。研究了60mm长度穿透型裂纹损伤对胶接修理搭接宽度的影响，得到了较有利的搭接宽度，对蒙皮裂纹损伤修理具有参考价值。

关键词：蒙皮;有限元;穿透裂纹;胶接修理

中图分类号：V215.2⁺1文献标志码：A 文章编号：1001-5922{2019}05-0027-03

现代飞机普遍采用了厚蒙皮作为飞机的外表结构，这些厚蒙皮的使用较传统的薄壁结构赋予了更重要的功能，一是作为重要的结构件参人飞机结构的受力，二是与其他构件围成密封油箱。在长时间的飞行中，飞机蒙皮由于疲劳受载、维护使用不当以及结构设计不足等诸多因素影响会导致产生裂纹，裂纹损伤成了平常修理过程中的主要表现形式。蒙皮的裂纹损伤修理方法一般采用铆接修理、螺接修理和胶接修理，由于胶接修理方法对飞机结构不会造成二次损伤，并且修理方法简单、快速，因此胶接修理在平常修理特别是应急情况下优选的修理方法。对于受载较大蒙皮结构裂纹修理时要求恢复其原有的强度。在胶粘剂确定的情况下，胶接面积决定了胶接修理的强度。本文基于有限元计算方法，以某飞机机翼蒙皮裂纹损伤为例，进行了胶接修理强度估算，通过计算给出了合适的搭接宽度，为裂纹损伤的胶接修理提供了依据。

1裂纹损伤部位说明

裂纹损伤部位位于某型飞机机翼下蒙皮，该处飞机蒙皮结构承受压缩载荷状态。蒙皮上有-60mm穿透型裂纹，裂纹的走向沿着能对结构造成最大影响的方向，即垂直于主应力方向（沿着翼肋的方向），见图1所示。该处蒙皮材料为铝合金2806，板厚度为3mm，E=67.2GPa，u=0.33，σ_b=390MPa。

2修理方法说明

裂纹修理采用单面胶接盖板恢复其强度的方法，盖板可以制成圆形，也可以制成矩形，本文采用圆形盖板，如图2所示。

2.1盖板制备

盖板的材料、厚度与原损伤区蒙皮相同，即采用2806铝合金板材，厚度3mm。搭接宽度w分别为20mm、30mm、40mm、50mm四种情况进行比较。为减少空气动力阻力，盖板边缘制作有30°～45°倒角。

2.2胶接前准备

对穿透裂纹损伤的实际修理过程中，需要首先在裂纹两端打上止裂孔，止裂孔直径一般取3mm，然后按照胶粘剂通用粘接工艺，对待胶接的区域进行打磨、清洗、烘干等措施处理。

2.3胶粘剂

修理采用的是常温、24h固化的结构胶，若在加温条件下还可以减少固化时间，其配方为：环氧树脂4份，聚酰胺1份，环氧通用稀释剂1份，四乙烯五胺固化剂0.5份。

2.4涂胶与加压

按照通用胶接涂胶工艺刷涂胶液，注意胶层厚度不要太厚或太薄，一般控制在0.10mm～0.15mm之间。施工中注意搭接面的贴合程度，必要时，可采用钣金成形方法进行提盒成形，在固化时对盖板进行加压。

3有限元计算

3.1模型建立

有限元模型取自飞机全机有限元模型，载荷工况为A0.85情况进行应力分析。通过对总体有限元模型分析部位的网格细化，建立起带有损伤和胶接修理结构的细节有限元模型，细化后局部模型的网格节点通过MPC单元RSPLINE与原总体模型节点相关联，分析计算仍在全机有限元模型下实施。细化后的板单元网格尺寸为5x5，杆单元长度为5，细化后的单元数量共6986个。具体见图3所示。

3.2計算结果

（1）穿透性裂纹损伤应力情况

计算60mm穿透裂纹损伤孔边应力分布见图5所示，可以看出穿透型裂纹损伤虽然在裂纹尖端进行了打止裂孔的处理，但孔边应力集中还是比较严重。

（2）胶接修理强度计算

胶接修理计算中胶粘剂的参数选择如下：弹性模量E=52100MPa，u=0.33，剪切强度τ_b=16.5MPa。

对于60mm裂纹损伤，胶接修理时分别按照20mm、30mm、40mm、50mm胶接宽度进行，胶接剪切强度计算结果如表1所示。

从表1中可以看出，当搭接宽度为20mm，30mm进行胶接修理时，计算结果均大于所用胶的实际剪切强度，由于胶接对象的接触面积决定了胶接的剪切总体受载，说明搭接面积过小，即需要增加胶接过程中的搭接宽度才行。当搭接宽度为40mm时，虽然剪切强度刚够，但是考虑到理论和实际施工因素的误差，从安全角度考虑，还是偏于不安全，当搭接宽度为50mm时，胶层计算结果比实际胶的剪切强度大出27%，结果比较理想。

4结论

（1）从计算结果可以看出：蒙皮穿透裂纹型损伤，从强度恢复方面考虑，采用胶接修理的方法是可行的。

（2）随着蒙皮盖板胶接搭接宽度的增加，加大了胶接对象的接触面积，利于结构损伤强度的恢复。但在实际应用中，盖板搭接面积的扩大对飞机修理来讲既增加了重量，又影响空气动力，并且面积的扩大需要考虑蒙皮弧度的影响，必然增加修理的难度，在施工过程中应注意把握好界限。