【飞机结构件腐蚀打磨规范及形状参数分析概述2400字】

飞机结构件腐蚀打磨规范及形状参数分析概述腐蚀损伤是飞机上常见且突出的问题之一[81,82]，局部腐蚀损伤的修复对于防止腐蚀损伤进一步恶化具有必要性[83]。对于飞机零部件上的腐蚀损伤，常见的处理方法是打磨去除腐蚀部分，但这种方法会导致零件表面强化层也被打磨掉，同时打磨造成的表面粗糙度上升会引起应力集中、增大与腐蚀环境的接触面等问题。为了使打磨后的零部件寿命达到预期，需要对打磨区域进行表面强化。针对民用飞机零件的腐蚀，波音公司结构维修手册提供了针对腐蚀的处理方案，如表2-1所示。此外，对于腐蚀部分的去除，还应遵守：腐蚀部分完全去除、打磨边缘应平滑地过渡到未打磨区域。允许在去除腐蚀部分时额外去除0.002英寸（0.0508mm）厚度的材料来进一步确保腐蚀部分已经完全清除。表2-1波音飞机结构维修手册对腐蚀的分类及处理方案Table2-1CorrosionclassificationandremovalschemeinBoeingaircraftstructuremaintenancemanual腐蚀程度腐蚀深度处理方案轻度腐蚀最大腐蚀深度约为0.0254mm手工打磨或温和的化学处理来除腐中度腐蚀点蚀的深度可以达到0.254mm通常通过剧烈的手动打磨或使用机械打磨设备除腐严重腐蚀点蚀深度超过0.254mm通过硬机械打磨或研磨除腐盛湘飞等[33]和帅高鹏等[36]对飞机腐蚀受损件的打磨形状进行了研究，针对不同的腐蚀情况，对零件的打磨后的形状进行分类，如图2-1所示。（a）两侧贯穿型受损件（b）四周封闭型受损件（c）单侧开口型受损件（d）打磨区域叠加型受损件图2-1腐蚀类型及其打磨后的受损件类型Figure2-1Typeofcorrosionandtypeofdamagedcomponentsaftergrinding对于腐蚀损伤部分的打磨，除打磨形状外，打磨深度直接影响喷丸强化效果及打磨后的构件的强度。铝合金在飞机中大量应用于壁板、肋板等结构，其厚度较小（相对于长度和宽度），其腐蚀情况经常出现贯穿型腐蚀；因此图2-1所罗列的受损件打磨形状中，两侧贯穿型打磨是典型的打磨形状（如图2-1（a）所示）。两侧贯穿型打磨形状具有对称性，采用其中一个打磨过渡区域的几何参数即可表征整个打磨形状特点。因此为了减低模拟计算周期，常采用二分之一打磨模型进行研究。图2-2为受损件进行两侧贯穿打磨后的三维视图和主视图及激光喷丸示意图，为削弱受损件打磨后过渡区域的应力集中，需保证过渡区域平滑，采用两段圆弧和一段斜线相切的方式构建打磨过渡区域表面形状，其形状主要由未打磨平面、凸圆弧面、斜面、凹圆弧面、打磨平面组成。打磨过渡区域几何形状参数主要有：打磨深度h（通过打磨去除的材料厚度，h=a-b）、过渡区域圆角半径R过渡、过渡区域长度l、斜面倾斜角θ。图2-2腐蚀受损件打磨后的典型形状Fig.2-2Typicalshapeofcorrodedpartsaftergrinding打磨深度h是受损件打磨区域几何形状参数中最重要的一个，该参数不受其他打磨区域几何形状参数影响。决定受损件打磨深度的因素有以下两个：1）打磨深度应保证将受损件腐蚀部分完全去除，并且不可破坏周围其他完好部位[84-REF_Ref74661387\r\h87]。2）打磨深度应保证打磨后受损件的疲劳寿命可通过表面强化技术修复，即打磨后的受损件经过表面强化后，其疲劳强度至少达到零件上无腐蚀无打磨区域的水平[88-90]。打磨深度对受损件的影响主要在受力方面，打磨深度越大，则去除的材料越多，剩余材料的横截面积越小，因此零件在受到载荷作用时，无受损打磨的区域应力数值较低，而打磨区域的应力数值较高。飞机受损件打磨前和打磨后在飞机上受到的外在一致，但此时打磨后的零件受到的应力将会比打磨前增大，从而更容易发生失效（在打磨区域没有经过表面强化处理的情况下）。波音飞机维修手册中对于打磨深度的规定并不清晰，仅要求将被腐蚀的材料完全去除，这在某些情况下（如薄壁零件）会导致打磨去除的材料过多而使零件强度达不到要求的情况。因此需要在波音飞机维修手册的基础上对打磨深度的上限进行定义。假设零件无受损无打磨区域的剩余疲劳寿命为N剩余，打磨深度为h时对打磨区域进行激光喷丸强化后得到的打磨区域疲劳寿命为N强化，则根据打磨深度影响因素第二点，可得打磨深度需满足式2-1。最大打磨深度的设计原则将依据式2-1，更进一步的定量分析将在第三章中进行研究。N剩余≤N强化（2-1）在打磨深度确定后，在几何关系上，过渡区域圆角半径与过渡区域长度相互影响。过度区域圆角半径和过渡区域长度的关系如图2-3所示。过渡区域圆角半径的最大值将在斜面长度l斜面为0时取得，此时凸圆弧面和凹圆弧面相切，过渡区域圆角半径和过度区域长度在几何上满足以下方程：（2-2）整理可得过渡区域最大圆角半径方程：（2-3）根据式2-3，可得过渡区域最大圆角半径分布（如图2-4所示）。过渡区域圆角半径随着打磨深度和过渡区域长度的增加而增加。当打磨深度确定后，过渡区域圆角半径与过渡区域长度呈现抛物线关系。过度区域圆角半径直接影响打磨件的应力集中效应。图2-3打磨区域过渡圆角图2-4最大圆角半径分布Fig.2-3FilletofgrindingareaFig.2-4Distributionofmaximumfilletradius过渡圆角半径直接影响打磨件的应力集中效应，圆角半径过小将形成较严重的应力集中，不利于修复件的服役；增大圆角半径可以减弱应力集中。对于应力集中效应，根据疲劳强度理论，可采用应力集中系数进行研究。应力集中系数Kt，可由以下方程得到[91]：拉压、弯曲情况：（2-4）受损件打磨后形成了近似台阶状的形状（如图2-2所示），在研究应力集中系数时，将其近似为平面件化的轴肩。参考轴肩研究圆角半径对应力集中系数影响时采用r/d（r为圆角半径，d为轴的直径）作为自变量[92]，在研究受损件过渡区域圆角半径对应力集中效应影响时，采用R/b（R为过渡区域圆角半径，b为受损件打磨后的厚度）作为自变量。通过静力分析，结合式2-2，在打磨深度固定的情况下，获得的应力集中效应结果（如表2-2所示）。表2-2过渡区域圆角半径与应力集中系数关系Table.2-2RelationshipbetweenfilletradiusandstressconcentrationfactorintransitionregionR过渡/b0.511.522.5应力集中系数1.571.521.461.421.40过渡区域长度l代表了未打磨平面和打磨平面之间的水平距离，随着过渡区域长度的增长，打磨区域过渡越平缓。理论上过渡区域长度