飞机铝合金结构的修理方法和应用

2010～2011学年第二学期

飞机结构维修（作业）

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飞机铝合金结构的修理方法和应用

摘 要： 各类飞机大部分以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。因为其密度小、强度高的优点，在航空材料中得以广泛的应用。铝合金结构在使用过程不可避免地受到不同程度的损伤，如蒙皮破孔、梁缘条裂纹、框变形等，因而需要采取相应的方法加以修理，保证各个结构能够在使用中安全负载和工作。

关键词：铝合金结构 蒙皮、梁、长桁、隔框、翼肋 损伤 修理方法

一、飞机铝合金的结构及特点

1. 蒙皮的结构及特点

蒙皮是包围在机翼骨架外的维形构件，用粘接剂或铆钉固定于骨架上，形成机翼的气动力外形。蒙皮除了形成和维持机翼的气动外形之外，还能够承受局部气动力。早期低速飞机的蒙皮是布质的，而如今飞机的蒙皮多是用硬铝板材制成的金属蒙皮。

A340垂直尾翼表面蒙皮

机身蒙皮与机翼蒙皮的作 用和构造相同。如衍梁、衍条、蒙皮、隔框的不同组合、可以形成机身的不同构造形式。如果蒙皮较厚，则衍梁、衍条、隔柜可以较弱；如果蒙皮较薄，则上述骨架也应该较强、较多。

机身蒙皮

2 梁的结构及特点 2.1翼梁

翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成（如图所示），剖面多为工字型。翼梁固支在机身上。。凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金钢制成，腹板用硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。凸缘和腹板组成工字型梁，承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。

2.2衍条与桁梁

衍条的形状、作用与机冀的衍条相似。

桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成，铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。衍梁的形状与衍条相似，但剖面尺才要大些，其作用与翼梁相似。

不同剖面的桁梁（

１

—蒙皮 ２—桁梁）

桁梁式机身（１—桁梁 ２—桁条 ３—蒙皮 ４—加强隔框 ５—普通隔框）

典型梁式机翼的结构

高比强铝合金机翼

3. 长桁的结构及特点

长桁（桁条）是与蒙皮和翼肋相连的构件。

各式桁条

4. 隔框的结构及特点

隔框沿机头到机尾分布，数量很多，

主要作用是形成并保持机身的横剖面形状，同时它与析条、衍梁、蒙皮等连接在一起参加整体受力。隔框的外形和剖面形状很多隔框又分普通隔框和加强隔框。加强隔框须承受如机冀、尾翼、起落架、发动机通过接头传递而来的集中力。故材料和结构都比普通隔框强。

各类隔框类型 5. 翼肋的结构及特点

形成并维持翼剖面之形状；并将纵向骨架与蒙皮连成一体；把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁。

普通翼肋的作用是将纵向骨架和蒙皮连成一体，把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁，并保持翼剖面的形状。

加强翼肋就是承受有集中载荷的翼肋。

翼肋结构

翼肋骨架

二、飞机铝合金结构的修理方法

2.1 蒙皮的修理方法

蒙皮的常见损伤：划伤、变形、裂纹和破孔等。 蒙皮损伤的后果：

破坏了飞机的良好气动性能

使损伤部位的蒙皮强度降低，承载能力下降 危及飞行安全。

铝合金蒙皮分：单板蒙皮、整体壁板。

单板蒙皮（按厚度不同）分：薄板蒙皮、整体蒙皮。 2.1.1蒙皮轻微损伤的修理 蒙皮轻微损伤：

蒙皮某些部位产生轻微的鼓动、压坑或划伤等。 ① 蒙皮鼓动的修理

主要采用整形加强 挖补 更换蒙皮

加强型材（或盒型材）的方向应垂直或平行于桁条，并至少与相邻的构件搭接一端

根据蒙皮的形状和搭接形式将加强型材制出相应的下陷或弧度

② 蒙皮压坑的修理

蒙皮上的压坑，主要是破坏了蒙皮的光滑表面。

压坑微小，分布分散、且未破坏内部结构，则不必修理。

压坑较浅，范围较大，用无锐角且表面光滑的榔头和木顶块修整。 压坑较深，范围较小，不易整平时，可在压坑处钻直径为4～5mm孔，用适当的钢条打成钩形，拉起修平， 然后用螺纹空心铆钉堵孔。 压坑较深，范围较大时，可在压坑处开直径为10～16mm的施工孔，用钩子钩住，锤击蒙皮四周使其恢复平整。然后安装堵盖铆钉堵孔。

压坑较深，范围较大时，可在压坑处开直径为10～16mm的施工孔，用钩子钩住，锤击蒙皮四周使其恢复平整。然后安装堵盖铆钉堵孔。

压坑较深，且出现棱角，整形比较困难。

2.1.2蒙皮裂纹的修理 钻止裂孔

蒙皮上的裂纹较短时（一般小于5mm），可采用钻止裂孔（直径通常为1.5～2mm）的方法止裂。

蒙皮上的裂纹较长时，除钻止裂孔外，还需在裂纹部位的内部铆补一块与蒙皮材料相同、厚度相等的加强片。

2.1.3 蒙皮破孔的修理

蒙皮小破孔的无强度修理

2.1.4蒙皮大范围损伤的修理

修理措施：

必须更换部分蒙皮，才能恢复其强度和外形。

蒙皮大范围损伤往往伴随骨架损伤，为了保持飞机的外形。

修理顺序：先骨架后蒙皮。

2.2 梁缘条和长桁的修理方法

损伤类型：缺口、裂纹、断裂等。 2.2.1 缺口的修理

◆ 宽度较窄的缺口（一般小于5mm）： （沿构件的截面方向测量）

只需将缺口锉修成光滑的弧形，用砂纸打光后涂上底漆即可。 ◆ 宽度较宽的缺口：（沿构件的截面方向测量） 需把缺口切割整齐，用填片填上缺口，并铆上加强片。

缺口的修理

2.2.2裂纹的修理

◆ 裂纹长度较小（不大于2mm）时：采用错修法。

◆ 裂纹长度大于2mm，小于构件一边宽度的2/3时：在裂纹的末端钻φ2

～

2.5mm的止裂孔后，用加强片加强

裂纹长度大于构件一边宽度的2/3时：在裂纹的末端钻φ2～2.5mm的止裂孔后，用与构件相同的型材进行加强。

如便于整根取下：采用更换的方法修理，即取下断裂构件，用材料相同、规格相等的型材，制作新构件，按原孔铆接。

如不便于整根取下：则接补（型材）修理。

2.3 隔框和翼肋的修理方法

典型损伤：范围较小的变形、裂纹或破孔，也可能产生范围较大的损伤。 修理的要求：恢复损伤框、肋的外形和强度。

2.3.1变形的修理

框、肋的变形多出现在框、肋的腹板上，可采用整形的方法恢复平整。 如果整形后仍有鼓动，可在变形部位铆接加强片或型材，以提高框、肋的稳定性。

2.3.2裂纹的修理

框、肋上的裂纹长度＜5mm时：对框、肋的强度削弱不多，修理时可在裂纹端头钻直径1.5～2mm止裂孔后使用。

对于在减轻孔、槽口等原切口边缘处出现的 不大于5mm的裂纹，可将裂纹锉修圆滑，不必加强。

当框、肋上的裂纹长度＞5mm，但未超过框、肋截面高度的1/3时：

修理方法:裂纹末端钻止裂孔。铆一块与框、肋材料相同、厚度相等的

加强片。

当框、肋上的裂纹长度超过框、肋截面高度的1/3时,使框、肋的强度降低很多，应按框肋的断裂方法修理。

2.3.3破孔的修理

隔框断裂的修理

三、飞机铝合金结构损伤的事例

图3.1飞机蒙皮的大面积更换

上图为GAMECO（广州飞机维修工程有限公司）为南航一架B-737CL飞

机完成了两张整体蒙皮的更换工作。所更换蒙皮的面积之大，尚属国内首例。此项工作是GAMECO根据南航要求，依照厂家工程指令对所指定的B-737飞机后机身STA727-907站位下方两侧S20-S25之间两块长度接近7米，宽近2

米的

整张蒙皮进行改装更换，以此达到飞行安全要求。整个工程涉及有关区域几百个部件的拆卸和重新安装，上万个新紧固件孔必须确保同时精确定位，每块大约14平方米的新蒙皮又务必与存在多曲度方向的机身轮廓完美贴合。GAMECO工作团队通过不断研究探索，面对和克服了许多由这次首例改装带来的技术和施工难点，包括由于新旧蒙皮外形尺寸和双向曲度都存在差异造成的定位困难、多处搭接带重要紧固件的重新定位、以及多处蒙皮补片的重新修复等。

图3.2 飞机裂纹检测

由中国民航地面特种设备研究基地机器人研究所开发的飞机表面爬行机器人实验系统于昨日在我校工程训练中心的波音737-200和伊尔-18飞机上进行了测试试验，对机器人的气动系统、机械结构、控制系统、通讯系统、导航系统及目标检测系统进行了全面测试，取得较好效果。该机器人系统可携带视觉及电涡流传感器，进行飞机蒙皮裂纹与腐蚀等结构缺陷的无损自动检测。目前只有美国等少数国家正在进行该项研究并已取得了实用性成果。飞机表面爬行机器人的研究成功对提高对飞机表面缺陷的检测精度，缩短飞机的检修维护时间，保障检查人员的人身安全，具有重要意义。

图3.3 F15出现蒙皮裂纹

美国《空军时报》报道 由2007年11月2日密苏里州空中国民警卫队一架F-15战机发生坠毁事故所引起的检查中，现又发现了具有相同裂纹的第9架F-15“鹰”战斗机。

据密苏里州坠机事故调查委员会的领导称，其所关注的问题是F-15战机蒙皮下的前金属纵梁，该梁主要支撑驾驶舱和加固该战机。

图3.4 框结构改装

Ameco顺利将一个重达1.6吨的尾翼垂直安定面从一架A340飞机上拆下，开始为其实施机身站位80框至87框结构框的改装。

四、 实际损伤结构的修理

4.1蒙皮大范围损伤的修理

修理措施：

必须更换部分蒙皮，才能恢复其强度和外形。

蒙皮大范围损伤往往伴随骨架损伤，为了保持飞机的外形。 修理顺序：先骨架后蒙皮。 4.2更换蒙皮的方法 施工步骤：

切割损伤蒙皮，制作与铆接衬片，配制新蒙皮，安装定位和对缝，铆接新蒙皮。 具体步骤： （1）切割损伤蒙皮 （2）制作与铆接衬片

（3）配制新蒙皮并安装定位与对缝 （4）铆接新蒙皮 步骤（1）：切割损伤蒙皮 切割新蒙皮，注意事项：

切割线与构架平行，在转角处要挫修成圆角，防止应力集中；

为增加接缝处的稳定性，切割线要靠近构架，但切割线必须和构架保持一定距离（一般为40～50mm），以便铆接衬片。

当损伤靠近蒙皮原有的接缝时，应用原接缝进行接补。 切割线应尽可能避开铆钉。

切割下的旧蒙皮，不要随便剪开或损毁，以便作为制作新蒙皮和新蒙皮钻制铆孔的参考。

损伤蒙皮切割后，钻去所有与骨架相连的饿铆钉，便可将其拆除 步骤（2）：制作与铆接衬片 衬片的两种形式：

衬片是一个整条时：桁条、肋框需要制作下陷，使桁条、肋框和蒙皮之间有一个间隙，以便衬片从间隙中顺利通过。 特点：蒙皮接缝处的稳定性较好，但施工较困难，多用于受力较大的部位。 衬片分段时：衬片应作下陷或弯边，以便和构架铆接为一整体。 特点：施工较容易，但接缝处的稳定性较差，多用于受力较小的部位。

分段的衬片

衬片应作下陷或弯边，以便和构架铆接为一整体。 步骤（3）：配制新蒙皮并安装定位与对缝 新蒙皮的要求：与原蒙皮的材料、厚度相同。

配制方法：

① 按切割下来的旧蒙皮进行划线，每边应留出一定的加工余量。 ② 采用测量方法配制等。 新蒙皮的定位方法： ① 划线法； ② 钻制定位孔法。 ① 划线法

在新蒙皮和原蒙皮相对应的位置上划出定位线，每次对缝边都以定位线为基准。

划定位线 ② 钻制定位孔法

在新蒙皮和构架上钻出定位孔（不少于2个），每次对缝修边时，以定位孔为基准，确定新蒙皮的安装位置。

新蒙皮对缝的方法：① 平行线法

步骤：

用直尺在原蒙皮上划切割缝的平行线，保持距离（L）；

将新蒙皮安装定位，在旧蒙皮上划出距离L的平行线，即切割线； 按切割线剪去新蒙皮的多余材料，挫修边缘，进行对缝。

② 延长线法

步骤：

用直尺在原蒙皮切割缝的两端向外划延长线；

将新蒙皮安装定位，用直尺连接延长线，即切割线。

③ 用特殊工具定位法

方法：

工具的下端放在切割线上，上端放在新蒙皮上，使下端沿切割缝移动，上端也随之在新蒙皮上划出切割线。

（4）铆接新蒙皮 —— 铆孔的确定

新蒙皮与衬片铆接：由于衬片上没有铆钉孔，可同时钻出。

新蒙皮与构架铆接：由于构架原来已有铆孔，新蒙皮上的铆孔必须和构架上的铆孔一致。

新蒙皮与构架铆接时，新蒙皮铆孔位置的确定：

如果蒙皮的损伤部位在飞机容易施工的地方，可将新

蒙皮固定于损伤处，根据构架铆孔从内向外钻出来确定。

如果蒙皮的损伤部位在飞机较难施工的地方，根据蒙皮

损伤的程度分别确定：

● 当旧蒙皮损坏不严重时，经整形后，旧蒙皮的铆孔位置没有变化，可按旧

蒙皮的铆孔来确定。

● 当旧蒙皮损坏严重时：

①用划线的方法确定铆孔的位置。

②用定位钉或定位工具确定铆孔的位置。

当旧蒙皮损坏严重时：

① 用划线的方法确定铆孔的位置。

② 用定位钉或定位工具确定铆孔的位置。

铆接新蒙皮 —— 铆接的顺序

对于单曲度的蒙皮：先铆弯曲中心线附近的一列铆钉，再依次铆向蒙皮的一端。然后，再从中心线开始依次铆向另一端。

对于双曲度的蒙皮：

先从蒙皮的中央开始，逐渐铆向蒙皮的四周。在铆接每个区域时，应按对称顺序进行。

4.3 蒙皮更换时的强度校核（略）

4.4 蒙皮更换后的质量检验

（1）蒙皮外形的质量要求

为了使飞机具有良好的空气动力性能，修理蒙皮时，必须保持机体外形光滑流线，度量外形准确的指标有：

a.气动外缘型值公差：实际切面外形相对理论切面外形允许的偏差。

b.气动外缘波纹度公差：用来控制飞机各部件纵横向气动外缘流线光滑度的 公差，用实际外缘与波长之比来度量。

c.部件的前缘和后缘直线度公差：机体部件的前缘和后缘应成直线，无弯度和起伏。某些部件直线度允许有偏差。

d.蒙皮对接公差：部件对合处蒙皮对缝间隙及阶差。

e.其他指标：操纵面吻合公差、部件对合公差、钉头凸出量公差等。

（2）蒙皮外形检查方法

检验样板、卡板：检查外形。

直尺：检查某些部件纵向的直线度。

塞尺：检查对缝间隙。

附录

自我评价：

通过课堂学习、上周三的考试和这次论文的大量准备，我对《飞机结构检修》的内容有了较高的认识，特别是飞机铝合金结构特点、常见损伤类型和修理方法有了较为系统的了解。为自己以后从事与此相关的工作打下了一定的理论基础。当然，我所知道的还远远不够，需要自己不断学习，不断进步。

课程建议：

在学习过程中，彭老师通过对大量的飞机结构图片、修理图片等的讲解，形象生动，易于认知，而且效果较好。同时由于理论内容和书上内容太多，同学们也容易产生听课疲劳。

对此，我的建议是老师和同学们之间加强互动。

① 在课堂最后5~10分钟内设置双向提问环节，通过老师的提问可以知道学生对知识的理解程度；通过学生的提问，可以解决学生的疑惑，提高自主学习的积极性，促进教学相长。

② 课后让同学准备相关的演讲材料，让同学们在课堂上讲。内容不一定多，可以针对某一张实际生活中的图片，脱稿上台讲2~3分钟。