飞机蒙皮损伤与维修——毕业论文

上海民航职业技术学院毕业设计（论文）上海民航职业技术学院毕业论文飞机蒙皮损伤与维修专 业： 飞机结构修理 班 级： 学 号： 姓 名： 完成日期： 指导教师: 摘要飞机蒙皮是民用飞机商业运营中最易产生损伤的零部件。在航空业迅猛发展的条件下,为提高飞机的作业小时数和企业利润,必须使飞机机体的损伤得到快速修复,保持飞机的适航性。本文主要讨论飞机蒙皮损伤的修理方法,为飞机蒙皮的损伤得以修复。关键词：飞机蒙皮，损伤，修理方法IABSTRACTAircraft skin is the most susceptible to damage in civil aircraft business components. With the rapid development of aviation industry, in order to improve the operating hours plane and corporate profits, Airframe damage must be made to get fast repair and also to keep the aircraft airworthiness. This article mainly discusses the aircraft skin damage repair methods,For the aircraft skin damage to repair.Key Words: Aircraft skin, damage, repair methods.II目录第1章 绪论1第2章 飞机蒙皮的作用及常见的损伤32.1 飞机蒙皮裂纹32.2 构件腐蚀后的特征42.3 意外撞击53.1 目视检测法73.2 超声波检测法93.3 X射线检测法93.4 凹坑测量仪检测93.5 划痕测量仪检测10第4章 飞机蒙皮的修理方法114.1 蒙皮裂纹修理法114.2 蒙皮压坑修理法114.3 蒙皮破孔修理法12第5章 修理方案的设计原则14第6章 主舱门外蒙皮腐蚀修理15第7章 蒙皮大范围损伤的修理18总结19参考文献20致谢21III第1章 绪论飞机蒙皮是指包围在飞机骨架结构外且用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成飞机气动力外形的维形构件。飞机蒙皮与骨架所构成的蒙皮结构具有较大承载力及刚度，而自重却很轻，起到承受和传递气动载荷的作用。早期低速飞机的蒙皮是布质的，即用纺织品包裹在木质或金属框架上，并在此基础上涂覆一层不透水、不透气的薄膜以满足飞行的需要。随着飞机飞行速度、飞行高度及自身重量的增加，金属蒙皮完全取代了布质蒙皮。目前，常规飞机的蒙皮材料主要采用高强铝、镁合金，某些高性能飞机采用钛合金或复合材料。民航飞机蒙皮主要用超硬铝合金,铝锌镁铜系,如2024.也有部分是复合材料,还有钛合金、合金钢等.现在的发展趋势是增加复合材料和钛合金的比例.如波音787,大约有一半是碳纤维合成材料.而777复合材料是11%.老747只有1%。如图1.1所示，复合材料逐渐在新型号飞机中大量被使用。图1.1 波音787飞机材料分布随着全球飞机数量的增加，飞机老化的问题正在引起航空界越来越多的重视。由于更换新机的成本非常高昂，因此对飞机进行检修与维护就显得十分重要。 飞机维护中一项重要的检测项目是对飞机蒙皮的检测。飞机蒙皮主要是构成飞机的外形，保持飞机良好气动性能以及承受和传递载荷。民航客机每次执行飞行任务时，客舱都要经历一次增减压的过程，客舱的加强筋和蒙皮承受交变载荷作用，飞机多次飞行以后加强筋和外部铝蒙皮的连接处产生疲劳裂纹。另外，由于飞机大部分时间暴露在自然环境中， 蒙皮和加强筋铆接处容易产生腐蚀（见图1.2），腐蚀的直接结果就是铝蒙皮和加强筋处出现材料损失并产生应力集中，这种由于腐蚀造成的材料损失和应力集中又会进一步加快疲劳裂纹的扩展。在腐蚀和交变载荷的作用下，裂纹扩展至临界裂纹长度后就会快速失稳扩展，最后导致结构破坏，这种结构破坏是造成空难事故的重要原因之一1。图1.2 飞机蒙皮腐蚀1954年，英国彗星号大型喷气式客机连续两次坠入地中海造成机毁人亡的惨剧，事后分析时发现事故的原因是由于机身蒙皮在旅客窗口处出现疲劳裂纹而导致的机体结构的断裂破坏。另外， 1983年美国波音747后增压隔框损坏、 1988年美国Aloha航空公司的737客机机身顶部铝蒙皮吹落以及后来的KC-135和C-5飞机机翼的大范围开裂等都是由于飞机结构疲劳损伤导致的空难。 2002年著名的台湾华航空难初步调查结果认为也是由于机体结构疲劳造成客机空中解体。“ Aloha 88” 引起了国际航空组织对老龄化飞机结构故障的重视，美国联邦航空局(Federal Aviation AdministrationFAA)将老龄化飞机研究提上日程，重点在于检测技术方面， 制定了系列检修方案。根据FAA规定，商业运营飞机每隔6年，或者累计飞行时间达到24000小时，或者经过12000次起降，必须进行结构疲劳损伤检查， 结构检查主要包括机体疲劳裂纹和腐蚀的检查。 同时要求每天都要对飞机进行必要的检测，主要以人工视觉检测为主，采用手工无损检测方法， 但是飞机维修检测的工作质量易受工作人员的工作经验等人为因素的影响。 这种高密度的检查提高了飞机的安全性，但耗费时间，同时也可能由于检查人员的疲惫厌倦造成疏漏。 因此传统的检测存在劳动强度大、检测周期长、漏检率高等问题2。23第2章 飞机蒙皮的作用及常见的损伤飞机蒙皮的作用是维持飞机外形，使飞机具有很好的空气动力特性。由于飞机的运行环境恶劣，除正常飞行带来的疲劳损伤外，还有由于环境因素导致的结构腐蚀等等。所以飞机蒙皮不仅要求蒙皮材料强度高、塑性好，还要求表面光滑，有较高的抗蚀能力。飞机蒙皮的损伤大致可以分为由交变载荷造成的疲劳裂纹、由环境造成的蒙皮腐蚀以及意外损伤（撞击）三种。2.1 飞机蒙皮裂纹飞机蒙皮结构在使用的过程中会产生不同类型的裂纹（图 2.1 所示），常见的裂纹有应力腐蚀裂纹、疲劳裂纹及腐蚀疲劳裂纹。分析构件裂纹的类型需要进行断口分析。断口分析包括宏观分析和微观分析两种，宏观分析是指用肉眼或者地被放大镜分析，后者使用光学显微镜研究断口。其中宏观断口分析是最常用的断口分析方法图2.1 腐蚀裂纹疲劳断裂是指材料在交变载荷作用下发生的断裂。在宏观上，疲劳裂纹属于脆性断裂，可以分为三个区域-疲劳源、疲劳裂纹稳定扩展区和瞬时断裂区。疲劳区周围存在着以疲劳源为焦点的光滑、细洁的狭小区域。疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域，呈现贝壳状或者海滩状的细纹。瞬时断裂区是疲劳裂纹长度达到临界尺寸后所发生的瞬时断裂。2.2 构件腐蚀后的特征依附在蒙皮表面的构件同时也会产生腐蚀，机身增压舱蒙皮上的铆钉，如果在铆钉头后部出现图 2.2 所示的尾迹，说明铆钉降低了连接作用和密封作用。由于铆钉漏气，当机身内充压时，就很容易使潮气进入到蒙皮接缝中，从而产生腐蚀。图2.2 铆钉出现尾迹铝合金腐蚀的产物由于比铝合金体积大，积累的腐蚀产物可能比蒙皮鼓起，从而使铆钉处呈现微凹现象。当蒙皮上出现针眼大小的目视可见的小孔时，说明出现了腐蚀（见图2.3）。图2.3 蒙皮小孔状腐蚀另外，当金属材料表面涂层变色，表示可能发生了腐蚀。图2.4 蒙皮金属材料腐蚀2.3 意外撞击 飞机蒙皮的意外损伤是由于飞机在起降过程中受到异物撞击（如飞鸟、冰雹、飞沙等）后引起的损伤。 飞机出现意外损伤后会发生蒙皮破损，蒙皮表面出现孔洞， 如图 2.5 所示。如果出现撞伤情况，将会对飞机安全造成巨大的威胁。图2.5 飞机撞击后产生孔洞由于飞机损伤后果破坏了飞机整体的良好空气动力性能，使损伤部位的蒙皮强度下降，承载能力下降，危及飞行的安全，严重时会造成空中解体，因此蒙皮损伤后第一时间发现是非常重要的。第3章 飞机蒙皮的无损检测方法在飞机蒙皮检测中应用的无损检测主要包括：目视检测法，超声波检测法，X射线检测法，凹坑测量仪检测，划痕测量仪检测。3.1 目视检测法目视检测法是指仅用人的眼睛或与一些辅助设备，对飞机构件表面做直接观察，发现构件表面损伤，并根据个人的技能和技术规范对损伤做出判断和评价。目视检测法可以借用的简单工具有:照明设备、放大镜、反光镜、测量器具和内窥镜等。在对飞机进行的维护工作中，目视检测法是最基本、最常用的检测方法。在对飞机进行其他的无损检测之前，对能目视到的部位，都应进行必要的目视检测法。为了保证飞行安全，在每次执行飞行任务前，驾驶员都必须确保飞机的状态良好。所谓状态良好，就是飞机的状态能保证它能圆满地完成所要执行的飞行任务，并且，机务人员要绕飞机一周目视检测飞机的整体情况，以确定飞机完全可以安全顺利地完成预定的飞行任务，如图3.1所示。图3.1 绕飞机一周目视检查（一）对机体表面腐蚀损伤的目视检测 目视检测机体表面，若发现表面涂层变色、剥落、隆起或有裂纹，预示着可能有腐蚀发生。 表面有氧化膜保护层的金属构件上，如果发现氧化膜破损，而且在受损处有白色粉末，则可能发生了点腐蚀。 长期在湿度较大的气候环境中使用或停放的飞机，如果在铆钉头周围或蒙皮搭接处，表面涂层出现丝状隆起，在涂层下面发生了丝状腐蚀。 金属构件特别是挤压型材，一旦发生变形，表面隆起，预示着型材内部可能发生了层离腐蚀。 铝合金蒙皮表面出现较多的铆钉头凹陷，说明结构内部可能发生了腐蚀。（二）对飞机紧固件的目视检测 不是单个铆钉，而是成排铆钉向一个方向倾斜，说明铆钉的连接可能因承受的剪切力过大面产生破坏。 埋头铆钉钉头凸到蒙皮外面，并在周边发生卷边，说明铆钉因受拉力过大产生了松动。 用手按铆钉周围蒙皮，如果可以按动，并在铆钉头和蒙皮之间形成可以看见的缝隙，说明铆钉已经松动。 如果发现铆钉周围有黑圈，也表明铆钉已松动。这些黑圈是因为铆钉松动后，铆钉头与周围蒙皮研磨生成的金属粉末被污染而形成。（三）对表面裂纹的目视检测如果怀疑结构外表面某处有裂纹，也可以借助照明设备，放大镜等进行目视检测。检查前应将要检查的表面清洁干净，去掉污垢、灰尘，必要时，还应用去漆剂或喷砂、喷丸等方法，去掉表面保护涂层、腐蚀产物等。用手电筒检验表面裂纹损伤时手电筒光线应该从检查者对面射来，与检查表面成545角度，检查者眼睛应在反射光束的上方，如图3.2所示。2图3.2 目视检测3.2 超声波检测法超声波检测法可用于金属、非金属、复合材料制件的损伤探测，既可以检测工件内部的缺陷，也可以检测工件表面缺陷。超声波检测法就是利用超声波的特性来检测构件表面及内部的缺陷。超声波在传播的路径上，如果遇到细小的缺陷，如气孔、裂纹等，就会在界面上发生反射，检测者分析反射的声束，便可以发现缺陷并确定缺陷的位置。超声波是超声振动在介质中的传播，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动。探伤所使用的超声波频率一般在500kHz10MHz。特性：超声波传播能量大，对各种材料的穿透力都较强;又具有良好的指向性，频率越高，指向性越好;在介质中传播时，遇到界面会发生反射。超声波的优缺点：具有指向性好，穿透性强，对平面型缺陷十分敏感。但不适用于形状复杂或表面粗糙工件的损伤探测;若对工件中的缺陷作精确的定性、定量分柝，需要有参考标准。3.3 X射线检测法X射线是一种电磁波，它与无线电波、红外线、紫外线、可见光等本质相同，具有相同的传播速度，但频率和波长不同。X射线波长短、频率高。因此，它具有许多与可见光不同的性质。工作原理:当用X射线透过被检查工件时，如有缺陷或损伤的部分就会在感光胶片上留下黑度较大的影像。优缺点:几乎适用于所有材料，而且对于被检测工件形状和表面几乎没有任何的要求;对被检测工件没有破坏和污染;可检测出表面缺陷和内部缺陷;能直观显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量分析和修理。但X射钱检测费用高，投资大;射线又对人体有伤害。33.4 凹坑测量仪检测凹坑测量是用专用的仪器检测蒙皮表面凹痕的深度、变形的尺寸情况。这是一种在目视检测蒙皮表面损伤时无法用眼睛观察的方法。3.5 划痕测量仪检测在飞机生产和使用过程中，飞机外表面会或多或少的出现深浅不等的划痕，因此需要使用划痕测量议检测飞机表面划痕的深度是否在可允许范围内，如果不在允许范围之内，微型计算机会进行图像处理和自动深度宽度的计算并显示，从而测出划痕的深度，此时，应用纱布将划伤部位打磨成圆滑过渡，避免应力集中。打磨后喷涂铝粉漆，填平损伤部位。如果划伤过深，除了磨喷漆外，还需要在其内部铆上一块加强片。加强片的材料、厚度与蒙皮相同。1以上检测方法各有各的优缺点，在检查过程中，最好选择两种或两种以上的方法进行检测。第4章 飞机蒙皮的修理方法4.1 蒙皮裂纹修理法蒙皮上的裂纹，降低了蒙皮的强度，而且在飞机飞行受力过程中，裂纹还会因应力集中的缘故，继续往外扩展。在修理时，根据裂纹的长度、深浅程度进行不同的修理方法。当飞机蒙皮上的裂纹小于5mm时，可采用在裂纹尖端钻止裂孔止裂，止裂孔的直径通常为1.52毫米，如图4.1所示。图4.1 止裂孔位置的几种情况当飞机蒙皮上的裂纹比较长时，除了在裂纹尖端止裂孔外，还需要在裂纹部位铆接一块与蒙皮材料、厚度一样的加强补片，如图4.1.1所示。图4.1.1 在修补部位进行加强修理4.2 蒙皮压坑修理法蒙皮上的压坑，主要是破坏了蒙皮的光滑表面。飞机在运行或在停放过程中，被鸟或人为撞击而出现的凹坑。当压坑很小时，分布扩散、不破坏内部结构的情况下，则不必修理。如果压坑很大，比较浅时，用没有锐角、表面光滑的木榔头在压坑周围进行敲打，直到恢复平整。当蒙皮压坑较深，出现棱角时，为防止棱角线扩大和整形中出现大裂纹，在两端预先钻2mm止裂孔，并打光孔边。恢复至基本符合外形后，在棱角线上切口，细加工整形，直到达到规定的外形，然后在切口背面铆补加强补片，如图4.2所示。图4.2 变形蒙皮出现棱角时的整形与加强4.3 蒙皮破孔修理法当飞机蒙皮上出现破孔，直径较小，可采用无强度修理。蒙皮破孔的修理方法，通常采用托底平补法。首先将损伤部位切割整齐，然后制作补片，用衬片托底，将补片填补切割口，通过衬片将补片和蒙皮连成一体。托底平补法的步骤如下：（1）确定切割范围根据蒙皮的损坏情况确定切割范围，切割线一般应超过损伤范围5mm。在确定切割范围后，为了便于制作补片和衬片，需要将蒙皮损伤处切割成有规则的形状，如圆形、长圆形、矩形等。切割线的直线部分应与构架相平行，并与构架保持一定距离，以便铆接衬片，切割线应尽可能避开铆钉。（2）切割损伤部位根据确定的切割形状和损伤部位的结构情况，选择相应的切割工具切割损伤部位。切割时，既要保证切割孔的形状和尺寸，又要防止损伤内部构架和机件。切割口要修理平整，并去除毛刺。（3）制作补片和衬片补片应选用与蒙皮材料相同、厚度相等的铝板制作。补片的大小和切割口形状相同，二者对缝间隙应符合飞机维修质量要求。衬片的材料与蒙皮相同，衬片的厚度等于或略大于蒙皮的厚度。衬片的大小决定于破孔的直径和衬片与蒙皮连接的铆钉排数。在受力较小的部位，衬片与蒙皮用两排铆钉连接；在受力过大的部位，衬片与蒙皮用三排铆钉连接。(4)钻孔铆接在铆接时，应先铆衬片，后铆补片。铆接前，根据切割孔的形状和大小，合理的布置铆钉。对于圆形孔，按每排的圆周长均匀布置；对于矩形孔，首先在四角处确定4个铆钉，然后在2个铆钉间均匀地排列铆钉。当铆钉为两排时，应尽可能采用交错排列或并列排列，如图4.3所示。图4.3 托底平补法第5章 修理方案的设计原则1.加强修补形式:在气动力敏感区域，尽量采用内部补贴修理或表面镶平修理;在机翼、尾翼的前部位，静压口和迎角传感器附加区域，采用表面镶平修理或者内部补贴修理形式。否则会增加飞行阻力影响气动外形。当损伤涉及多个构件时，应采用分别加补的修理方案;如果采用切割修理，各构件不应该在同一位置切割，这样可以降低硬点效应。当蒙皮结构的裂纹损伤时，最好采用挖补修理。2.加强件边缘:避免机身蒙皮部位修理加强件终止于长桁、隔框或其他内部结构件处，以免阻碍机身蒙皮的内部检查。避免在其他机身蒙皮修理加强件3in范围内安装蒙皮修理加强件。同时要避免修理加强件对接或搭接。如果可能发生，应采用覆盖两个蒙皮开口的单个修理加强件取代原来的两外加强修理。如果修理件延伸到蒙皮纵向搭接带下面，需要制作结构填片，填片应当延伸出修理加强件一排紧固件，降低加强板最下面以及前后排关键紧固件孔处的厚度，从面避免硬点效应。加强件拐角处要倒圆角，圆角半径最小为0.5in。3.加强件的厚度:修理蒙皮时，尽可能将修理加强件材料厚度限制在比损伤件结构材料的厚度一级或二级。不应该过分加强修理区，不是加补的厚度越厚越好，否则会使其成为过硬区，增加其所受应力水平，进而降低该区域的耐久性，即会明显降低修理区域的疲劳强度。试验征明，若原板厚度为0.036in，加强件厚度为0.04in，相当寿命为1，则将加强件厚度增加到0.072in时，相对寿命为0.65，疲劳寿命降低了35%。4.加强件的材料:尽量采用与原损伤件材料相同的加强修补片。外补修理尽可能使用与原结构件材料和热处理状态相同的铝合金加强件。选用铝合金加强件不仅可以选择从外部进行低频涡流检查，还可以避免不同类材料接触导致结构电化腐蚀。如果需要采用不同的材料，应该按照飞机结构修理手册第51章所要求进行选择替代材料。选用替代材料时，应该考虑材料的静强度特性、疲劳性能、抗断裂性能以及与原材料的电化学相容性和冷加工成型性能等因素。5第6章 主舱门外蒙皮腐蚀修理参照手册B747-400结构修理手册SRM 51-10-02，52-10-01或其他等效文件。修理步骤:1.进入损伤部位；2.确定腐蚀范围及程度；3.如果目视腐蚀程度严重超出允许的损伤范围，则采用加强修补方案；4.如果腐蚀程度可能未超出允许的损伤范围；5.采用机械打磨法清除所有腐蚀(SRM 51-10-02）；6.采用相应的无损探伤方法确定腐蚀是否彻底清除;确定打磨之后蒙皮是否有裂纹现象;确定打磨之后蒙皮的厚度是否在手册允许的范围(SRM 52-10-01）；7.腐蚀区域在蒙皮的边缘处，有三种处理方法；(1)蒙皮上紧固件与紧固件的边距没有重叠处腐蚀，如图6.1所示。图6.1 紧固件与紧固件重叠处没有腐蚀（2）蒙皮上紧固件与紧固件的边距重叠处腐蚀，如图6.2所示。图6.2 紧固件与紧固件的边距重叠处有腐蚀（3）蒙皮边缘上没有紧固件的腐蚀，如图6.3所示。图6.3 蒙皮的边缘上没有紧固件的腐蚀8.腐蚀区域在蒙皮的表面上，有两种处理方法；（1）腐蚀区域离原始紧固件较远，如图6.4所示。图6.4 腐蚀区域离原始紧固件较远（2）紧固件上面腐蚀，如图6.5所示。图6.5 紧固件上面腐蚀9.如果打磨后损伤超标，再根据维修手册的相关修补方案进行加强修补；10.如果打磨后损伤未超标，根据手册的要求进行清洁及表面处理；11.恢复原状。5第7章 蒙皮大范围损伤的修理飞机在执行飞行任务的过程中，由于金属疲劳，导致飞机蒙皮大范围开裂。此时我们必须更换损伤部位的蒙皮，才能恢复机身蒙皮强度和外形。更换蒙皮步骤：（1）切掉损伤部位的蒙皮。更换蒙皮时，新的蒙皮材料、厚度要与原损伤蒙皮一样。（2）制作铆接用的衬片，制作新铆接用的蒙皮并安装定位与对缝，然后铆接。（3）检查修理后蒙皮的外形，是否使飞机具有良好的空气动力性能。可以用检验样板、卡板了检查外形，如图7.1所示。图7.1 蒙皮大范围的更换与修理由于飞机蒙皮大范围的损伤，往往会伴随着骨架损伤，为了保持飞机的外形。必须先修理骨架，然后修理蒙皮。4总结在近几年来，随着我国经济的发展，民航事业也获得了很大的发展。各大航空公司不断从国外引进飞机，每年以上百架的速度增长。飞机蒙皮损伤检测，是确定蒙皮构件损伤修复方案或报废的关键环节。其检测方法的选取不能简单地沿用金属材料的检测方法，应根据手册参考有关标准合理的选取方法进行检测和修理。参考文献1 秦颜源，飞机蒙皮损伤远程监控技术：学时学位论文.南京：南京航空航天大学，20112 谢小荣， 杨小林. 飞机损伤检测M. 北京： 航空工业出版社. 2006.123 空气动力学和维护技术基础：ME、AV李幼兰主编北京：兵器工业出版社，2006.74 飞机结构图纸识读与常用维修手册使用/虞浩清，姜泽锋主编；庄华，李家宇，辛新编著.第2版北京：清华大学出版社，20135 航空器结构修理（STR）徐超群编写组组长第一册STR01 金属结构修理致谢本文撰写过程中遇到了诸多困难，在查阅了大量资料前提下，得到论文指导老师的悉心大力指导。本文终于顺利完成，因此文中不可避免有不足之处，日常工作的繁忙对论文未能写出更仔细更优秀的论文，也请各位老师批评指正。老师在论文写作的返校期间为我提供了很多专业性建议，不但指明了论文写作方向，指出问题及改进方法，而且教会了我如何更有效学习和工作，使我受益匪浅。最后，在本文截稿之时，再一次对老师以及各位厦航同事给予的帮助表示衷心的感谢！