飞机机身隔框维修方案设计

1、飞机机身隔框维修方案设计摘要：本文通过对飞机机身隔框经常出现的故障维修问题进行探讨，进一步分析机身隔框的受力情况，并提出了一套对机身隔框维修方案设计、简明实用、可推广使用。关键词：隔框 接头 定位 基准 铆接引言：大型民机机身隔框多数采用铝合金板材成形。成形方法有几种，典型的一种是用型辊成形机将卷材成形出Z形截面型材，然后用外形滚弯成形机进行R为1.53mm的滚弯，固溶处理后进行拉形以去除固溶处理变形和调整成形精度。在这些工序中，拉形占生产成本中的模具费和劳务费比例很大。因此，降低成本的一个重要手段是取消这种拉形。要取消拉形，必须解决两个问题。其一是确定一种消除固溶处理变形影响的工艺过程；其二

2、是提高外形成形本身的精度。前者已提出了带有新热处理方法的工艺过程。这种滚弯成形前实施固溶处理的方法，由于其后自然时效硬化进展的不同而对成形精度影响大，所以采用回归处理进行软化以使材料稳定。另一方面，为提高外形成形精度，必须提高成形辊的位置精度及其重复性。采用五级辊成形装置将全部成形量分配给三个过程的成形方法，经过适当的分配即能防止扭曲等变形。装机后维修在隔框一生中扮演着很重要的角色，下面就来谈一谈它的维修。隔框的概述作为横向元件的隔框分为普通框和加强框。普通框主要维持机身的截面形状，承受蒙皮的局部载荷。普通框一般为环形框。当机身为圆截面时，普通框的内力为环向拉应力；当机身截面有局部接近平直段时

3、，则普通框内就会产生弯力。加强框除上述作用外，主要功用是将装载的质量力和其他部件（机翼、尾翼等）上的载荷，经连接接头传递到机身结构上，将集中力加以分散，然后以剪流的形式将力传给机身蒙皮。现代飞机上的框大都由铝合金或钛合金板材制成。为此，这里只重点讲述铝合金框损伤维修。由于钛合金跟铝合金框损伤维修差不多，在介绍钛合金框的损伤维修过程中只介绍注意的一些问题和具有钛合金框特殊的焊接修理。隔框的受力分析2.1加强隔框受垂直集中力的情况 环形隔框一般由内外凸缘.腹板和支柱等组成。当它受到垂直于隔框平面内的力P时就要产生轴向力，剪力，弯矩。由于隔框是静不定结构，各内大小及等剖面圆形框各种外载荷的内力均已制

4、成图表，很容易查出。由于隔框受的轴向力和剪力是次要的。因此，这里只分析隔框受的弯矩变化情况。为了更好地明白隔框的受力情况。假设蒙皮的支反力是作用在隔框两侧的集中力R，再假设将隔框下部分切开，如图1所示。图1隔框的变形这就能够明显地看出隔框在受载荷P及支反力R的作用下相当于一根中间受载荷的双支点曲梁。曲梁的最大弯矩在集中力作用点附近，其弯矩如图2所示图2 隔框的弯矩图 隔框在载荷作用下变形时内外凸缘，腹板和支柱起着不同的作用。其中：内外凸缘承受由弯矩M产生的轴向力N=M/h，而腹板受剪切，同时轴向力N也会带来压力S，即沿半径方向大小相等方向相反。使腹板受压也会使支柱受压，支柱就是为了提高腹板的抗

5、压能力而设置的。 从图1还可以看出：如果载荷P的大小不变，随着隔框的直径增大使两侧支点反力与集中载荷P之间距离L也增大。这将会使集中力作用处的隔框截面上的弯矩增大。因此，在可能的情况下往往将外载荷作用点安置在隔框的两侧，使L尽量的减少，从而减少隔框的弯矩。2.2加强隔框承受水平载荷时的情况作用于加强框的水平载荷通常是不对称的（如图 3 ）。图3 非对称载荷的传递来自垂直尾翼的载荷P，它对隔框的作用相当于一个作用隔框中心处的力P和一个对隔框中心的力矩（即对机身的扭矩）M扭 。 加强隔框受扭矩M扭时，要在自身平面内旋转。蒙皮组成的合围框具有较大的抗扭刚度。它能通过铆钉来阻止隔框的旋转，给隔框以一圈

6、反作用剪流来平衡。这样加强隔框便沿周缘的铆缝把M扭以剪流的形式传给了蒙皮。由此可见：加强隔框承受水平载荷时，将同时有两个剪流在隔框周缘产生。也就是平衡侧力P的剪流和平衡M扭的剪流。这两个剪流的代数和就是周缘各处总剪流的大小。在水平载荷作用下隔框上部两个剪流方向相同，而下部则相反。因此，隔框上部受力较大，往往做得较强，且该处蒙皮也较厚。2.3加强隔框承受集中弯矩的情况 如图4所示的是机身上固定机翼接头的一种整体环形加强隔框。隔框承受着机翼主接头传来的对称弯矩M机翼（M机翼=TH）和对称剪力P机翼。为了说明隔框的受力情况沿对称面取半个隔框来分析，由于这种隔框受对称载荷，所以对称面的弯矩很小，即：可

7、假设隔框是两半个隔框铰链连接在一起并忽视掉蒙皮剪流的作用。 图3 环行加强框受力分析 这样两半隔框的截面上就有水平轴向力NA，它的值为NA=TH/2r 隔框任一剖面的弯矩大小等于轴向力为NA乘上它与该截面重心之间的距离，即：B-B和C-C的弯矩为MB=NAL1 MC=NAL2 很容易得出最大弯矩产生在机翼翼梁连接接头附近。若机翼放在中间，则M弯最大=NA（rH/2）=TH/2（rH/2） 由于r>>H/2 于是有 M弯最大=TH/2它的最大剪力值在接头上下耳片之间 即：Q最大=TNA=T/r(rH/2)T因此，通过分析看出：环形加强框是作为一个圆环，主要以框缘的形式来承受和传递框上

8、集中力的。隔框维修方案设计 3.1隔框损伤范围较小时的维修 3.1.1 裂纹的维修设计 对于裂纹长度在5毫米以内的框而言，由于框的强度削弱不多，维修时可在裂纹端头钻直径1.52毫米的止裂孔后使用。钻止裂孔时，止裂孔的位置非常重要。如果止裂孔没有钻在裂纹的尖端，它就不能消除裂纹尖端处应力场的奇异性，也就起不了止裂作用。还有一种裂纹也不大于5毫米，它出现在减轻孔、槽口等原切口边缘处。对于这种裂纹应将裂纹锉修圆滑，不必加强。 对于框上的裂纹长度大于5毫米但没有超过框截面厚度的1/3时，除了在裂纹末端钻上止裂孔外，还需要铆上一块与框材料相同厚度也相同的加强片。它的尺寸形状则根据裂纹而确定，一般在裂纹每

9、边铆13排铆钉即可。当超过截面厚度的1/3时，框的强度降低太多，应按断裂方法维修。3.1.2 变形的维修设计 框的腹板是框易出现变形的地方，对于它可以采用整形的方法来恢复平整 。而铆接加强片或型材是对整形后仍有鼓动的维修方法，从而提高框的稳定性。加强片的材料、厚度与框相同，尺寸则稍大于变形的部位，每排可铆2排以上的铆钉。型材的安装方向必须根据框的受力情况而确定。加强型材应安装在隔框的径向。由于飞机在飞行过程中作用于隔框上的压力通常沿着隔框的径向，这样安装能有效地发挥型材的作用，从而提高框受压的稳定性。3.1.3破孔的维修设计 破孔一旦产生，由于它在框上的位置不同，从而要采用不同的维修方案。 破

10、孔出现在框腹板的中部。只需将损伤的部位锉修整齐，用两排铆钉沿破孔的四周铆上补片。补片的饿材料和厚度与破孔的框相同。破孔出现到弯边或靠近弯边时，不但要将损伤部位切割整齐并制圆角，而且还要根据所切割部分的大小和形状用材料、厚度与框相同的板材制成一块有弯边的补片和一块连接片与被损坏的框用铆钉铆成一体。（对于切割是的应注意事项见于隔框损伤范围较大时的维修设计中）3.1.4断裂的维修设计 隔框断裂后，强度有明显地降低，对于此种情况要进行接补修理。 隔框断裂可按图5所示的方法接补。图5 隔框断裂的维修接补要用的补片的材料要与原隔框相同，厚度也与原隔框相同。补片的长度根据隔框的厚度而定，补片的形状为X形。由

11、于隔框的厚度不同，所用的补片长度以及铆钉直径也不同。 对于隔框厚度小于1.2毫米而言，所用补片的长度应不小于100毫米，用直径为3.5毫米的铆钉；对于隔框的厚度大于或等于1.2毫米而言，所用补片应不小于160毫米，用直径为4毫米的铆钉铆接。而铆钉的排列形式一般是按交错排列，铆钉的边距（c）等于10毫米；铆矩(t)等于1035毫米；排矩（a）等于15毫米。3.2隔框损伤范围较大时的修理 要更换损伤部位是框受到较大范围时采用以便恢复框的外形和强度。以切割与拆卸损伤部位、配置新框、确定新框的安装位置及进行铆接四个维修阶段。下面就分别来说明：3.2.1切割与拆卸损伤部位a 切割前需要对框的损伤部位进行

12、整形，把轻微形的部位恢复到原有形状。切去不能恢复的部位而把对那些可拆可不拆的零件或构件，一般不要拆除。做到不乱拆不乱卸，以便尽可能地缩小切割的范围和拆卸范围，这样可以节约人力、物力。b 以利于新框的安装为前提。在拆卸过程中，必须以损伤框的具体情况而分析研究，划清该做的和不该做的事情界限，要便于安装。c 在切割与拆卸时还要注意防止结构变形。为此，一般需在机身下部防止托架并按一定的顺序采用便拆边修的方法。也就是说：先切割修理与其他部件相连接的框，后切割修理其他的框；在其他框中，先修理加强框，后修理普通框。3.2.2配制新框a 新制框的材料应与损伤框材料、厚度相同，是按照损伤框的实样制成。b检查损伤

13、框铆钉孔处的边距足够吗？如果不够，边距不够的地方在制作新框时应有足够的余量，从而保证铆接时有足够的边距。c制作新框要求外形准确。如果外形不标准，机身外形难以保证，将使框在安装定位时外缘弧度间隙过大，造成误差，迫使形成加厚垫或强迫装配。从而影响铆接质量，损坏蒙皮。3.2.3确定新框的安装位置在维修过程中经常出现一个术语叫定位。就装新框而言，定位就是新框的安装位置，包括框板本身的安装位置和接头的安装位置。3.2.3.1新框的定位时更换框中的重要环节。因此，新框的安装位置不准确，将改变 整个框的外形，其后果在前面以说过。为了解决新框在定位时出现移动和转动，而能使框处于正确的位置，我们可使新框和原框处

14、于同一个平面内（如图6所示）。图6这样以来，新框就不能沿OY轴移动也不能绕OX与OZ轴转动。而在之前，它可以沿OX、OY和OZ三个轴移动和绕这三个轴转动。3.2.3.2常见新框的定位方法第一种：用未损伤的构件来定位用未损伤的构件来定位在维修工作中应用较多。对为损伤构件有以下要求才能作为新框定位的依据。 a要求未损伤构件没有变形和移位。 b要求未损伤构件有一定的刚度而避免在定位过程中产生变形。 c 要求未损伤构件能准确地确定新框的位置。 第二种：用测量的方法来定位 一架飞机从涉及到制造有着各种数据，而这些数据在今后这架飞机的维修中起着很重要的作用。这些数据保证了新隔框前后的左右位置，使新隔框与原

15、隔框处于同一平面内。 选择基准和确定基准的数目是用测量的方法来定位的关键。其中选择基准是确定新框位置的依据。它的选择的对与错，直接影响新框的安装位置。通常采用强度和刚度大的加强框作为基准，由于它不易变形。 对于基准数目而言，基准数目过多易产生相互矛盾，使头绪混乱，难以保证定位准确。通常在一段结构中（如前机身、后机身、机翼、尾翼）沿一个坐标轴取一个基准，以避免积累误差，造成装配困难。 第三种：横向样板定位法 横向样板是一种反切面外形样板，它是按机身（或机翼、尾翼）横向界面外形制成。将样板卡在机身的蒙皮上，做到外形轮廓线和板廓线之间的间隙等于蒙皮厚度。这就使新框与原框处在同一个平面内达到轮廓线一致

16、。如图7所示是新框位置确定的情形达到轮廓线一致。图7 用横向样板确定新隔框的位置 第四种：纵向样板定位法 纵向样板定位法与横向样板定位法不同之处在于是机身纵向截面制成的。这种样板纵跨好几个隔框，上面的标记线表明各个隔框截面的位置。利用邻近完好的隔框来确定新隔框的位置。 具体的定位方法如下：将23块纵向样板分别置于机身下部的不同位置。要做到样板与梁、长桁平行，样板上的标记线对准好邻近完好的隔框。从图8可以看出， 板左端的点A、B、C所组成的平面和原隔框板的平面一到组成的弧线就是机身真确位置。然后将隔框安装于A、B、C三点所组成的平面内，其外形轮廓线和三点之间的间隙等于蒙皮的厚度。这就使新隔框与原

17、隔框处在同一个平面内，达到轮廓线一致，从而使新隔框的位置就被确定下来。3.2.3.3接头在隔框上的定位接头（即接耳）是机身某些加强框装有用于其他部件。在维修更换新框时，特别要注意接头隔框上的位置。如果接头在隔框上的位置不正确，就会改变部件的安装位置，从而影响它们的正常工作。安装的步骤如下：先用G形夹子将接头临时固定在隔框上，再确定接头的安装位置，最后用螺栓或螺钉将接头固定在隔框上。接头的定位区别于隔框的定位的特殊点在于：接头在隔框平面只能沿OX轴OZ轴移动和绕OY轴转动（如图9所示）。 图9 接头的定位首先接头定位时要保证接头到OYZ平面的距离（L）达到规定值，从而消除它沿OX轴的移动。另外还

18、必须保证接头中心到OXY平面的距离(h)达到规定值，从而也消除了接头沿OZ轴的移动和绕OX轴的移动。这样接头就能够正确地安装。从图中可以看出接头位置的OYZ平面是飞机的对称面，OXY平面为飞机的水平基准面。在维修资料的平面图中，飞机的对称面为一条直线，即飞机对称轴线。飞机的水平基准面也为一条直线，即水平基准线。用水平视线测量法可确定接头到飞机水平基准线的距离，确定方法如下：a将飞机调到纵横水平位置，在接头孔中插入一根轴。b用水平仪测量出轴的中心到飞机水平基准线的垂直距离。c如果高度差没有达到规定数据值时，可以移动接头而使其达到规定数值。用投影测量法来确定接头边缘到对称轴线的距离：a将飞机调到水

19、平位置。b用在隔框上悬挂铅垂线的方法找出飞机对称面上的投影线c用直尺测量接头边缘到飞机对称轴线（铅锤落在地面投影线上，此时铅锤线即为飞机对称轴线）的水平距离。d移动接头使其达到规定. 3.2.4新框的铆接 新框的安装范围（定位）确定好后，再下来的工序就是铆接。 铆接是利用铆钉来连接构件的一种固结方法。铆接新隔框时有两个要求：a 保证铆接强度。如何来保证铆接强度呢？铆接时应按原来隔框的铆接情况，结合图纸的规定和一般的铆接工艺的要求。一般的铆接工艺过程包括选择铆钉、布置铆钉、钻孔划窝、铆接和质检等五个步骤。 b防止铆接变形 第一 铆接强度很重要。铆接强度储备过多，不能充分发挥铆钉的作用，反而使结构

20、的重量增加和施工效率降低；如果减少铆钉的 直径和数量，将会使铆钉的强度储备不足，。为了保证构件和铆钉任何一方不首先破坏，铆钉的材料强度应与构件的材料强度相等。但在实际工作中，铆钉强度略低于构件材料强度。 第二 正确地选择铆钉直径 铆接构件受力时，铆钉会同时产生剪切和挤压变形，而剪力和挤压是相等。如果铆钉本身的破坏剪力与破坏挤压力不相等，一方由于强度的原因达到破坏时，另一方剩余强度也将失去作用。这样铆钉就不能发挥作用。因此，根据构件的厚度来选择铆钉的直径是铆钉的破坏剪力与破坏挤压力基本接近的有效方法。 第三 铆接前需要用施工螺钉或定位销将隔框临时固定。正确地选择铆接工具，采用直接铆接并按对称顺序

21、进行铆接。 钛合金隔框的维修设计 框的损伤和维修方法与铝合金隔框损伤维修相同，但由于两者在材料方面有较大差异。因此，这里只谈谈钛合金隔框自身维修特点。4.1钛合金的铆接 钛合金的铆接工艺与铝合金铆接工艺相同，只是钛合金隔框损伤维修时所用的铆钉材料为钛合金。这种铆钉塑性差、硬度高、变形量小，形成墩头困难，因而墩头易产生裂纹。为了保证铆接质量，从钻孔到铆接均采用相应措施。 钻头一般为高性能高速麻花钢。钻尖为S型、X、W型的钻头，钻头顶角一般取135°，有71000的锥度，同时尽量使用短钻头。钻孔时，一定要保持低速和适当的进给量。在钻孔过程中，要充分共给冷却液和采用超声波作为辅助手段，以便

22、保证钻头的耐用度，增加钻头的使用时间，提高切削效率。 铆接时采用压铆和热铆，不宜采用铆枪冷铆。钛合金铆钉的热铆通常在电阻点焊机上进行。热铆所需的热量由电极与铆钉之间的接触电阻产生。该电极不仅具有导电、传递压力和散热等功能，而且要有更高的强度和高温下不易软化的性能。为此在热铆时通常选用粉末冶金的钨铜合金制作。当温度到达700850时，即可铆接。热铆加热时间应控制在3秒左右。4.2 焊接修理 钛合金一般具有良好的可焊性。 钛合金隔框上出现裂纹、断裂、破孔等损伤均可采用焊接的方法来修补。在修理工作中常采用氩弧焊和电弧焊。钛合金焊接时，融化区凝固后拉应力不随材料的屈服极限而发展，而一般材料（铝合金）焊接时凝固后的拉应力都随材料的屈服极限而发展。焊接过程中产生的热塑性变形量数值比低碳钢及铝合金要小得多，其数值约为铝的14，