整体机加壁板和铆接壁板概述

论文导读：在稳定性方面，整体机加板的长桁和蒙皮之间可提供较强的支撑，因而该类壁板可达到较高的失稳破坏应力，而对于铆接加强板其失稳破坏应力要受到钉间失稳破坏和蒙皮起皱破坏应力的限制，特别是在上翼面，设计控制应力大于400MPa时，铆钉加强板要达到整体机加板的失稳破坏应力就非常困难。在实际飞机机翼设计过程中，上下翼面设计应力的控制是一个综合各方面因素的结果，而不单只是从静强度角度进行考虑，如考虑到疲劳、腐蚀、寿命、损伤容限等因素时，上下翼面的控制应力就不可能取得太高（接近板静极限强度），而当设计应力给定后，上下翼面的应力主要取决于受力面积的大小和其合理的布置，而且控制应力越低，整体机加板优势丧失得越多，两种壁板的差距就越小。机翼整体油箱的上下壁板，不仅是机翼的主受力构件，而且是整体油箱的主油箱壁，因而为了保证燃油系统工作的可靠性，减少整体油箱在使用过程中渗漏油的可能性，就必须要求上下壁板有尽可能大的无裂缝寿命，即疲劳强度，而一个结构的疲劳强度不仅与其所选用的材料、所工作的载荷环境、所处的工作应力大小有关，而且与该构件的细节设计，制造装配过程等诸多因素有关。整体机加板长桁位置及其装配协调关系是通过数控加工方法来确定和保证的，而对于毛料成形等引入的位置误差只有在总装时协调解决，因而整体机加壁板在装配时可能存在需协调的问题较多。通过以上的对比分析，对于军用运输机，由于其用途的特殊性，它的飞行、起落次数远低于民用运输机，因而，对疲劳和损伤容限的要求没有民机那么突出，所以建议采用整体壁板，这样既能满足使用要求，又能减轻重量，但造价偏高。
关键词：整体机加壁板，静强度，疲劳强度，损伤容限，应力

　　一、概述
　　目前用于军用、民用运输机机翼整体油箱的壁板结构形式大致可以分为以下两种：
　　1、 整体机加壁板：机加厚板或挤压成型的整体机加板
　　该类壁板主要用于现役的军用运输机上，而在现役的民用运输机上较少采用，其上下壁板多采用便于机械加工的⊥字形，且上下壁板结构形式、材料均相同，一般为7075-T6类高强度铝合金，也可采用国外一些先进的铝合金材料。
　　2、 整体机加壁板：整体机加或化铣蒙皮和长桁铆接的加强板
　　该类壁板主要用于现役的民用运输机上（如波音系列、MD系列、空中客车系列等），上下壁板结构形式变化较大，可相同也可不相同，且上下壁板用材非常讲究，上壁板一般采用7075-T6类高强度铝合金，下壁板则采用疲劳性能优良的2024-T3类铝合金。
　　下面从力学性能、密封特性、制造加工等角度对以上两种壁板形式进行综合分析：
　　二、力学性能分析
　　1、 静强度分析
　　整体机加板的长桁和蒙皮成为一体，避免了连接件对基本构件面积的削弱，便于充分发挥受力面积的潜力；而铆接加强板的强度却要受到紧固件连接强度、钉孔削弱等因素的限制，因而在同样受力面积情况下，整体机加板将明显优于铆接加强板，可以实现机体结构减重的要求。
　　在稳定性方面，整体机加板的长桁和蒙皮之间可提供较强的支撑，因而该类壁板可达到较高的失稳破坏应力，而对于铆接加强板其失稳破坏应力要受到钉间失稳破坏和蒙皮起皱破坏应力的限制，特别是在上翼面，设计控制应力大于400MPa时，铆钉加强板要达到整体机加板的失稳破坏应力就非常困难。
　　在实际飞机机翼设计过程中，上下翼面设计应力的控制是一个综合各方面因素的结果，而不单只是从静强度角度进行考虑，如考虑到疲劳、腐蚀、寿命、损伤容限等因素时，上下翼面的控制应力就不可能取得太高（接近板静极限强度），而当设计应力给定后，上下翼面的应力主要取决于受力面积的大小和其合理的布置，而且控制应力越低，整体机加板优势丧失得越多，两种壁板的差距就越小。
　　2、 疲劳强度分析
　　机翼整体油箱的上下壁板，不仅是机翼的主受力构件，而且是整体油箱的主油箱壁，因而为了保证燃油系统工作的可靠性，减少整体油箱在使用过程中渗漏油的可能性，就必须要求上下壁板有尽可能大的无裂缝寿命，即疲劳强度，而一个结构的疲劳强度不仅与其所选用的材料、所工作的载荷环境、所处的工作应力大小有关，而且与该构件的细节设计，制造装配过程等诸多因素有关。对于整体壁板，虽然它有比铆接板尽可能少的连接件孔，减少了从紧固件孔边产生疲劳裂纹的可能性，但它在制造过程中，长桁位置已被毛料基本确定，保证壁板的装配协调关系是通过其在数控加工的过程来保证的。而对于毛坯成型等过程中引入的位置误差，只有在总装时进行协调解决；加之壁板在装配过程中需要协调的关系较多（与梁、壁板、肋等）且所引入的位置误差的多变性，这样在装配过程中极容易在壁板中引入残余应力，而残余应力的引入不仅会引起壁板发生应力腐蚀，而且还会加快疲劳裂纹的形成。对此问题，虽然可以通过加强结构设计细节、采取加垫等工艺措施，以及以新材料为代价对其予以补偿，但要绝对避免是很难的。对于铆接加强板，存在紧固件对基本构件所造成的疲劳损伤，但在加强结构细节设计，并采用干涉连接件后，其紧固件孔的疲劳性能也是比较好的，完全可以满足现代飞机对结构疲劳寿命的要求，否则当今长寿命民机是不会采用该类壁板形式的。
　　但必须承认，目前在实际结构中80%以上的疲劳裂纹都是从紧固件孔内开始形成并扩展的。但不管整体机加板还是铆接板，都存在和其它构件的连接关系，都需要使用紧固件，且实际上，决定整个机翼疲劳寿命的是机翼上的几个疲劳部位（如对接、开口等部位）或这些部位紧固件孔的疲劳寿命，而并非所有机翼上的紧固件孔，加之实际构件的疲劳强度与细节设计的关系非常大，疲劳裂纹产生的随机性，因而从疲劳强度角度，很难说这两种壁板谁好谁坏，只有等结构细节设计完成后对其进行疲劳寿命估算和试验，看它是否满足设计要求。
　　3、 损伤容限特性分析
　　由于机翼上下壁板的多种作用，为了保证飞行安全，不仅要求上下壁板要保证整个机翼结构的安全性和完整性，而且还应保证燃油系统工作的可靠性。从这一点出发，就势必要求机翼结构设计为：全局上按破损安全形结构设计，在局部上应设计成缓慢裂纹扩展形式的结构。
　　对于挤压整体壁板，由于弹性极限σ0.2的增大，就势必引起其裂纹扩展速率的增大和断裂韧性的降低，且对于单块壁板止裂而言，只有通过两块壁板间的对缝进行止裂。加之在该类结构中,存在着蒙皮和长桁上的疲劳裂纹相互扩张的问题,当蒙皮上的裂纹扩展至长桁根部后疲劳裂纹就其始与长桁根部时,很快就会引起整根长桁断裂,因而对该类结构,为了满足基本的损伤容限设计要求,就只能增加在弦向的分块数,单块壁板也只能设计成缓慢裂纹扩展型结构,而且必须验证,当其中一块壁板破坏断裂后,机翼上的剩余结构仍能承受有关适航条件规定的破损安全载荷，否则，就失去了其蒙皮分块的意义，也就不会满足损伤容限的要求。
　　对于整体蒙皮铆接加强板，其裂纹扩展速率相对于挤压整体板要小，且在单块壁板中，构件本身存在止裂元件——长桁，当壁板设计应力控制在300MPa左右时，只要A长/A蒙≥0.5（A长：长桁面积，A蒙：两长桁间蒙皮面积），长桁可止住蒙皮上的两跨裂纹，而该比值在实际设计中是非常容易满足的，因而在实际设计中该类壁板便于将起设计成缓慢裂纹扩展（蒙皮）和破损安全的混合结构，为保证机翼结构完整性和燃油系统工作的可靠性提供了更安全的保证。
　　三、密封特性分析
　　为了保证燃油系统工作的可靠性，上下壁板采用可靠的密封形式外，还必须具备良好的疲劳性能、合理的结构形式以及足够的总体和局部刚度。
　　由整体壁板组成的油箱壁，不仅有足够的整体和局部刚度，尽量短的密封线，而且可使穿过油箱壁的紧固件数减少到最小程度，这样就使得从紧固件孔变产生疲劳裂纹从而引起的渗油的可能性大为降低，同时又降低了密封难度。而对于整体蒙皮铆接加强板，怎么处理好上下翼面上大量紧固件孔的密封则是重中之重，对此国外各航空公司对其进行了长期、大量的研究工作，并都采取了相应的有效措施。在我国和前苏联的早期，基本走以密封胶为主的密封形式，而在美国和西欧走以紧固件自身密封（干涉，密封连接件等）为主要密封的密封道路，后者不仅比前者省去了大量密封胶，而且还起到了减少机翼重量的双重功用，而其密封效果非常好。因而，目前不管国内还是国外，对整体油箱上紧固件的密封问题，都有走以紧固件自身密封为主的密封道路的趋势，但不管怎样，要保证翼面上大量紧固件孔绝对密封，目前仍非常困难。
　　四、制造、工艺性分析
　　1、毛料供应
　　挤压型整体机加板不仅有较好的力学性能，而且其材料利用率、生产效率都比较高。论文发表。论文发表。但毛坯模具制造周期长、投资大，从而使供应出的壁板毛坯费用较高，加之其截面最小厚度尺寸要受都挤压工艺、技术水平的限制，因而在低载情况下，挤压整体机加板的毛坯仍需进行大量的机械加工工作，材料利用率和生产效率应根据实际情况客观评价。论文发表。
　　蒙皮铆接加强板的毛坯不仅取材容易，而且可根据实际承载需要加工出更复杂的蒙皮内形。同时其生产准备周期短，毛坯的成本将低于整体机加板。
　　2、机械加工
　　整体机加板可依靠先进的数控加工方法对其进行集中加工，生产效率高，但其加工的效率、难度取决于所供毛坯状态、所需加工表面、加筋条形状以及所用数控机床的坐标数。而对于整体铆接加强板，其加工难度和对机床能力的要求要比整体机加板小些，且其下壁长桁上椭圆形通油孔非常容易加工，几乎不受任何限制。
　　3、喷丸成形
　　喷丸成形不仅成形方便，操作方法灵活多变，而且极大提高零件的疲劳寿命；因而国外已将其列入钣金件主要成形方法之一。但其成形质量，成形周期完全取决于操作者的技术水平和对喷丸变形规律的掌握，对于整体机加板，其成形的难度和时间可能要比铆接加强板大，且在该工序对公差的控制较难，这将直接影响装配时的协调难度。而该问题，对于铆接加强板将不存在。
　　3、装配
　　对于整体机加板，它不需要铆接长桁，其装配工时将远小于蒙皮铆接加强板。整体机加板长桁位置及其装配协调关系是通过数控加工方法来确定和保证的，而对于毛料成形等引入的位置误差只有在总装时协调解决，因而整体机加壁板在装配时可能存在需协调的问题较多。而对于整体蒙皮铆接加强板，它与梁、肋、梳妆件等间的协调是通过相互协调的零件来保证的，因而其装配难度可能比整体板小，但它需要铆接长桁、肋和梁，且要对其进行密封，因而其装配工时比整体板多。
　　五、结论
　　通过以上的对比分析，对于军用运输机，由于其用途的特殊性，它的飞行、起落次数远低于民用运输机，因而，对疲劳和损伤容限的要求没有民机那么突出，所以建议采用整体壁板，这样既能满足使用要求，又能减轻重量，但造价偏高。所以对于不同用途的运输机，机翼上下壁板结构形式的选择，必须从我国的实际情况出发，对其进行综合考虑，从中选取一种既满足设计性能指标，同时又是最经济，最符合实际状态的一种壁板形式。

六、参考文献
1. 损伤容限设计手册航空航天工业部科学技术研究院 译 西北工业大学出版社1989.8第1版
2. 飞机设计手册 （9）载荷、强度和刚度 解思适 航空工业出版社 2001.12第1版