劉松

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，公眾對民用飛機(jī)的安全要求提出了更高的要求，業(yè)內(nèi)對飛機(jī)的型號審定及持續(xù)適航關(guān)注度越來越高。在民用飛機(jī)適航領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)安全性作為重要的審查環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)及維護(hù)理念也在隨著科技的進(jìn)步不斷革新。本文通過對民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限的分析，借助簡單實(shí)例對評定方法進(jìn)行梳理，并闡述了相應(yīng)的損傷處理程序，以供參考。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；適航；結(jié)構(gòu)；損傷容限

一、損傷容限概述

民用飛機(jī)在整個使用壽命期間應(yīng)避免由于疲勞、腐蝕、制造缺陷或意外損傷引起的災(zāi)難性破壞。損傷容限準(zhǔn)則是通過一套科學(xué)方法確保飛機(jī)在使用過程中的損傷在達(dá)到臨界尺寸之前能夠被檢查發(fā)現(xiàn)且完成修理，使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)可持續(xù)滿足剩余強(qiáng)度的要求，保證飛機(jī)的使用安全。

二、損傷容限與耐久性的關(guān)系

耐久性和損傷容限是民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足的結(jié)構(gòu)特性，根源在于民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)型和安全性的權(quán)衡，二者的簡單含義如下：

耐久性是結(jié)構(gòu)防止和抵抗損傷產(chǎn)生（包括疲勞、腐蝕、應(yīng)力腐蝕、熱退化、剝離、脫層、磨損和外來物損傷）白勺能力。損傷容限是結(jié)構(gòu)防止損傷增長至災(zāi)難性破壞的能力。

現(xiàn)實(shí)中，耐久性和損傷容限很難完全分開，二者互為基礎(chǔ)和制約。但二者的設(shè)計(jì)目標(biāo)差異較大，耐久性設(shè)計(jì)的目的是：賦予結(jié)構(gòu)高的疲勞品質(zhì)，使結(jié)構(gòu)具有對抗疲勞、腐蝕（包括應(yīng)力腐蝕）和意外損傷的高度阻力，從而確保飛機(jī)以低維修成本達(dá)到長經(jīng)濟(jì)壽命。

損傷容限設(shè)計(jì)的目的是：使結(jié)構(gòu)受損傷的危險性減至最小，通過斷裂控制，保證在損傷使強(qiáng)度降至適航條例規(guī)定值（剩余強(qiáng)度要求）之前，以高概率及時檢測出損傷，使結(jié)構(gòu)修復(fù)后回到條例要求的強(qiáng)度，從而確保民用飛機(jī)的安全可靠。

三、損傷容限分析評定

（一）損傷容限評定任務(wù)

民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限分析評定任務(wù)包括飛機(jī)使用情況確認(rèn)，重心過載系數(shù)譜編制，確定主要結(jié)構(gòu)的危險部位，建立危險部位的應(yīng)力譜，給出裂紋擴(kuò)展速率，裂紋擴(kuò)展分析，獲得材料及相應(yīng)構(gòu)型的斷裂韌性值，確定限制載荷下各部位的最大損傷程度，剩余強(qiáng)度分析，確定損傷部位的結(jié)構(gòu)類型，生成裂紋擴(kuò)展缺陷，確定檢查方法和檢查周期。

（二）損傷容限三要素

損傷容限包括三個同等重要的因素，它們是，剩余強(qiáng)度、裂紋擴(kuò)展和檢查大綱。

剩余強(qiáng)度分析主要工作是確定剩余強(qiáng)度許用值，該許用值體現(xiàn)了帶裂紋結(jié)構(gòu)實(shí)際允許的承載能力，以[σ]rs表示，它隨裂紋長度增加而降低。評定要求該值必須不小于與CCAR25.571規(guī)定的剩余強(qiáng)度載荷要求相對應(yīng)的應(yīng)力σ要求。

裂紋擴(kuò)展分析主要任務(wù)是在確定的使用載荷環(huán)境下，損傷從初始可檢門檻值擴(kuò)展到最大允許損傷之間的時間間隔，即裂紋擴(kuò)展壽命。分析任務(wù)包括初始缺陷尺寸確定，裂紋擴(kuò)展率確定及等幅載荷下裂紋擴(kuò)展壽命計(jì)算和變幅載荷下裂紋擴(kuò)展計(jì)算。其中裂紋擴(kuò)展率確定主要受應(yīng)力強(qiáng)度因子變程ΔK影響，該參數(shù)由Paris公式、Forman公式及Walker公式確定。

結(jié)構(gòu)檢查大綱編寫是民用飛機(jī)型號審定工作的重要內(nèi)容之一，大綱的基本目標(biāo)是使飛機(jī)在整個設(shè)計(jì)服役目標(biāo)期內(nèi)，以可能的最經(jīng)濟(jì)的方法使結(jié)構(gòu)的適航性保持在一個可容許的水平。要能最有效地利用現(xiàn)有的手段，保證及時地檢測或預(yù)防由環(huán)境惡化，意外事故或疲勞引起的損傷。大綱必須在每種型號民用飛機(jī)投入使用前制訂出來。

需要說明的是，由于剩余強(qiáng)度分析和裂紋擴(kuò)展分析任務(wù)需要借助大量的函數(shù)迭代實(shí)現(xiàn)，計(jì)算任務(wù)量非常大，在工程實(shí)際中一般借助計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，目前業(yè)內(nèi)較為認(rèn)可的分析軟件有NASGROW和AFGROW等。

四、損傷的處理程序

（一）打磨處理

此種處理方法適用于磨損、腐蝕、非穿透性微裂紋、刻痕及劃痕等局部性損傷。具體步驟如下：

1、使用專用打磨工具或化學(xué)溶液去除損傷區(qū)域漆層。

2、使用手冊允許的研磨劑或打磨片，打磨去除損傷。為測得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)用以進(jìn)行合適的修理，同時避免疲勞裂紋的擴(kuò)展，損傷必須完全去除。否則，殘留損傷會降低材料的抗疲勞強(qiáng)度，最終會引起裂紋產(chǎn)生，甚至可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體失效。

3、使用無損探傷檢測，確保打磨處理區(qū)域沒有任何隱藏裂紋。

4、測量損傷深度或者部件的最小剩余厚度，并在工卡上準(zhǔn)確記錄結(jié)果。

5、按照結(jié)構(gòu)修理手冊的相應(yīng)章節(jié)判斷損傷是否允許并記錄判斷結(jié)果。如果是允許損傷，執(zhí)行步驟6；如果不是允許損傷，則查找修理方案準(zhǔn)備修理。

6、使用蘸有清潔劑的軟布清潔損傷區(qū)域并對基體材料施加保護(hù)涂層及漆層。

（二）整形修復(fù)

此種處理方法適用于較薄的單層材料上的凹坑、彈性變形范圍內(nèi)的部件變形等損傷。對于部件或凹坑尺寸是否允許整形，則參考相關(guān)允許損傷章節(jié)和整形章節(jié)里面的要求。整形基本步驟如下：

1、詳細(xì)目視檢查凹坑狀態(tài)并使用無損探傷檢測現(xiàn)有凹坑區(qū)域有無裂紋。

2、如檢測沒有問題，則在凹陷一側(cè)使用接近部件輪廓外形的沙袋或類似支撐，在另一側(cè)使用膠錘或類似的非金屬工具，沿凹坑環(huán)向向內(nèi)輕輕移動敲擊，直至恢復(fù)部件原始輪廓或凹坑尺寸滿足允許要求。

3、無損探傷再次檢測整形完成后的凹坑區(qū)域有無裂紋。

4、如滿足要求則依據(jù)圖紙或手冊恢復(fù)部件涂層和漆層。

（三）更換或修理

此種處理方法適用于超出允許損傷標(biāo)準(zhǔn)的損傷部件。在對部件進(jìn)行更換時，也會遇到各種問題，比如有些件因?yàn)榉N種原因購買不到，或者到貨周期太長無法滿足定檢要求。鑒于此，一些飛機(jī)生產(chǎn)廠家也有自己獨(dú)特的程序，用以更加方便、及時地協(xié)助航空公司或維修單位完成部件更換，比如波音公司的 SMAL（Spares Material Authorization License，簡稱SMAL）程序，可以翻譯成航材自制授權(quán)書，是波音用以給客戶提供相關(guān)的技術(shù)支持以加工制作波音零部件的程序。波音公司推出這個程序其用意在于，如果波音航材部門供貨時間不能滿足飛機(jī)維修要求，則可以通過 SMAL 程序提供所需要的技術(shù)圖紙等資料，授權(quán)航空公司或維修單位自己加工制做該零部件，以避免出現(xiàn)因?yàn)榈却讲亩鴮?dǎo)致飛機(jī)停場周期延誤的情況。需要注意的是，執(zhí)行 SMAL 程序的前提是緊急訂貨（AOG），且航空公司和波音公司之間已經(jīng)簽訂了客戶服務(wù)總協(xié)定 CSGTA（Custom-er Service General Terms Agreement，簡稱 CSGTA），維修單位和波音公司之間必須已經(jīng)簽訂了航材供貨總協(xié)定HMSGTA（Hardware Material Service Gen-eral Terms Agreement，簡稱 HMSGTA）以及附加協(xié)議SLA-A（Supplemental License Agreement-Airframe）。對航空公司或維修單位來說，SMAL 程序無疑是解決這些關(guān)鍵問題的絕好方法，在做定檢的時候會發(fā)現(xiàn)很多損傷，有些重度損傷只能使用新件來更換舊件解決問題，但卻經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)榈却讲牡截浂鴮?dǎo)致飛機(jī)推遲出場的情況。這時如果應(yīng)用 SMAL程序，將一些有能力加工制作而供貨時間長的部件自制，會極大節(jié)省所需航材的等待時間，從而保證飛機(jī)的準(zhǔn)時出廠，這將給公司和客戶帶來很大的效益。

五、結(jié)語

綜上所述，針對民用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)損傷問題，相關(guān)工作人員必須熟知各種損傷的定義和性質(zhì)，掌握損傷容限的分析與評定，在損傷處理時才能做出正確、快速的判斷。絕對允許損傷超標(biāo)的飛機(jī)放行，為飛機(jī)的安全運(yùn)行提供可靠保障。

參考文獻(xiàn)：

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