整體機加壁板和鉚接壁板概述
論文導讀：在穩(wěn)定性方面，整體機加板的長桁和蒙皮之間可提供較強的支撐，因而該類壁板可達到較高的失穩(wěn)破壞應力，而對于鉚接加強板其失穩(wěn)破壞應力要受到釘間失穩(wěn)破壞和蒙皮起皺破壞應力的限制，特別是在上翼面，設計控制應力大于400MPa時，鉚釘加強板要達到整體機加板的失穩(wěn)破壞應力就非常困難。在實際飛機機翼設計過程中，上下翼面設計應力的控制是一個綜合各方面因素的結果，而不單只是從靜強度角度進行考慮，如考慮到疲勞、腐蝕、壽命、損傷容限等因素時，上下翼面的控制應力就不可能取得太高（接近板靜極限強度），而當設計應力給定后，上下翼面的應力主要取決于受力面積的大小和其合理的布置，而且控制應力越低，整體機加板優(yōu)勢喪失得越多，兩種壁板的差距就越小。機翼整體油箱的上下壁板，不僅是機翼的主受力構件，而且是整體油箱的主油箱壁，因而為了保證燃油系統(tǒng)工作的可靠性，減少整體油箱在使用過程中滲漏油的可能性，就必須要求上下壁板有盡可能大的無裂縫壽命，即疲勞強度，而一個結構的疲勞強度不僅與其所選用的材料、所工作的載荷環(huán)境、所處的工作應力大小有關，而且與該構件的細節(jié)設計，制造裝配過程等諸多因素有關。整體機加板長桁位置及其裝配協(xié)調關系是通過數(shù)控加工方法來確定和保證的，而對于毛料成形等引入的位置誤差只有在總裝時協(xié)調解決，因而整體機加壁板在裝配時可能存在需協(xié)調的問題較多。通過以上的對比分析，對于軍用運輸機，由于其用途的特殊性，它的飛行、起落次數(shù)遠低于民用運輸機，因而，對疲勞和損傷容限的要求沒有民機那么突出，所以建議采用整體壁板，這樣既能滿足使用要求，又能減輕重量，但造價偏高。
關鍵詞：整體機加壁板，靜強度，疲勞強度，損傷容限，應力
一、概述
目前用于軍用、民用運輸機機翼整體油箱的壁板結構形式大致可以分為以下兩種：
1、 整體機加壁板：機加厚板或擠壓成型的整體機加板
該類壁板主要用于現(xiàn)役的軍用運輸機上，而在現(xiàn)役的民用運輸機上較少采用，其上下壁板多采用便于機械加工的⊥字形，且上下壁板結構形式、材料均相同，一般為7075-T6類高強度鋁合金，也可采用國外一些先進的鋁合金材料。
2、 整體機加壁板：整體機加或化銑蒙皮和長桁鉚接的加強板
該類壁板主要用于現(xiàn)役的民用運輸機上（如波音系列、MD系列、空中客車系列等），上下壁板結構形式變化較大，可相同也可不相同，且上下壁板用材非常講究，上壁板一般采用7075-T6類高強度鋁合金，下壁板則采用疲勞性能優(yōu)良的2024-T3類鋁合金。
下面從力學性能、密封特性、制造加工等角度對以上兩種壁板形式進行綜合分析：
二、力學性能分析
1、 靜強度分析
整體機加板的長桁和蒙皮成為一體，避免了連接件對基本構件面積的削弱，便于充分發(fā)揮受力面積的潛力；而鉚接加強板的強度卻要受到緊固件連接強度、釘孔削弱等因素的限制，因而在同樣受力面積情況下，整體機加板將明顯優(yōu)于鉚接加強板，可以實現(xiàn)機體結構減重的要求。
在穩(wěn)定性方面，整體機加板的長桁和蒙皮之間可提供較強的支撐，因而該類壁板可達到較高的失穩(wěn)破壞應力，而對于鉚接加強板其失穩(wěn)破壞應力要受到釘間失穩(wěn)破壞和蒙皮起皺破壞應力的限制，特別是在上翼面，設計控制應力大于400MPa時，鉚釘加強板要達到整體機加板的失穩(wěn)破壞應力就非常困難。
在實際飛機機翼設計過程中，上下翼面設計應力的控制是一個綜合各方面因素的結果，而不單只是從靜強度角度進行考慮，如考慮到疲勞、腐蝕、壽命、損傷容限等因素時，上下翼面的控制應力就不可能取得太高（接近板靜極限強度），而當設計應力給定后，上下翼面的應力主要取決于受力面積的大小和其合理的布置，而且控制應力越低，整體機加板優(yōu)勢喪失得越多，兩種壁板的差距就越小。
2、 疲勞強度分析
機翼整體油箱的上下壁板，不僅是機翼的主受力構件，而且是整體油箱的主油箱壁，因而為了保證燃油系統(tǒng)工作的可靠性，減少整體油箱在使用過程中滲漏油的可能性，就必須要求上下壁板有盡可能大的無裂縫壽命，即疲勞強度，而一個結構的疲勞強度不僅與其所選用的材料、所工作的載荷環(huán)境、所處的工作應力大小有關，而且與該構件的細節(jié)設計，制造裝配過程等諸多因素有關。對于整體壁板，雖然它有比鉚接板盡可能少的連接件孔，減少了從緊固件孔邊產生疲勞裂紋的可能性，但它在制造過程中，長桁位置已被毛料基本確定，保證壁板的裝配協(xié)調關系是通過其在數(shù)控加工的過程來保證的。而對于毛坯成型等過程中引入的位置誤差，只有在總裝時進行協(xié)調解決；加之壁板在裝配過程中需要協(xié)調的關系較多（與梁、壁板、肋等）且所引入的位置誤差的多變性，這樣在裝配過程中極容易在壁板中引入殘余應力，而殘余應力的引入不僅會引起壁板發(fā)生應力腐蝕，而且還會加快疲勞裂紋的形成。對此問題，雖然可以通過加強結構設計細節(jié)、采取加墊等工藝措施，以及以新材料為代價對其予以補償，但要絕對避免是很難的。對于鉚接加強板，存在緊固件對基本構件所造成的疲勞損傷，但在加強結構細節(jié)設計，并采用干涉連接件后，其緊固件孔的疲勞性能也是比較好的，完全可以滿足現(xiàn)代飛機對結構疲勞壽命的要求，否則當今長壽命民機是不會采用該類壁板形式的。
但必須承認，目前在實際結構中80%以上的疲勞裂紋都是從緊固件孔內開始形成并擴展的。但不管整體機加板還是鉚接板，都存在和其它構件的連接關系，都需要使用緊固件，且實際上，決定整個機翼疲勞壽命的是機翼上的幾個疲勞部位（如對接、開口等部位）或這些部位緊固件孔的疲勞壽命，而并非所有機翼上的緊固件孔，加之實際構件的疲勞強度與細節(jié)設計的關系非常大，疲勞裂紋產生的隨機性，因而從疲勞強度角度，很難說這兩種壁板誰好誰壞，只有等結構細節(jié)設計完成后對其進行疲勞壽命估算和試驗，看它是否滿足設計要求。
3、 損傷容限特性分析
由于機翼上下壁板的多種作用，為了保證飛行安全，不僅要求上下壁板要保證整個機翼結構的安全性和完整性，而且還應保證燃油系統(tǒng)工作的可靠性。從這一點出發(fā)，就勢必要求機翼結構設計為：全局上按破損安全形結構設計，在局部上應設計成緩慢裂紋擴展形式的結構。
對于擠壓整體壁板，由于彈性極限σ0.2的增大，就勢必引起其裂紋擴展速率的增大和斷裂韌性的降低，且對于單塊壁板止裂而言，只有通過兩塊壁板間的對縫進行止裂。加之在該類結構中,存在著蒙皮和長桁上的疲勞裂紋相互擴張的問題,當蒙皮上的裂紋擴展至長桁根部后疲勞裂紋就其始與長桁根部時,很快就會引起整根長桁斷裂,因而對該類結構,為了滿足基本的損傷容限設計要求,就只能增加在弦向的分塊數(shù),單塊壁板也只能設計成緩慢裂紋擴展型結構,而且必須驗證,當其中一塊壁板破壞斷裂后,機翼上的剩余結構仍能承受有關適航條件規(guī)定的破損安全載荷，否則，就失去了其蒙皮分塊的意義，也就不會滿足損傷容限的要求。
對于整體蒙皮鉚接加強板，其裂紋擴展速率相對于擠壓整體板要小，且在單塊壁板中，構件本身存在止裂元件——長桁，當壁板設計應力控制在300MPa左右時，只要A長/A蒙≥0.5（A長：長桁面積，A蒙：兩長桁間蒙皮面積），長桁可止住蒙皮上的兩跨裂紋，而該比值在實際設計中是非常容易滿足的，因而在實際設計中該類壁板便于將起設計成緩慢裂紋擴展（蒙皮）和破損安全的混合結構，為保證機翼結構完整性和燃油系統(tǒng)工作的可靠性提供了更安全的保證。
三、密封特性分析
為了保證燃油系統(tǒng)工作的可靠性，上下壁板采用可靠的密封形式外，還必須具備良好的疲勞性能、合理的結構形式以及足夠的總體和局部剛度。
由整體壁板組成的油箱壁，不僅有足夠的整體和局部剛度，盡量短的密封線，而且可使穿過油箱壁的緊固件數(shù)減少到最小程度，這樣就使得從緊固件孔變產生疲勞裂紋從而引起的滲油的可能性大為降低，同時又降低了密封難度。而對于整體蒙皮鉚接加強板，怎么處理好上下翼面上大量緊固件孔的密封則是重中之重，對此國外各航空公司對其進行了長期、大量的研究工作，并都采取了相應的有效措施。在我國和前蘇聯(lián)的早期，基本走以密封膠為主的密封形式，而在美國和西歐走以緊固件自身密封（干涉，密封連接件等）為主要密封的密封道路，后者不僅比前者省去了大量密封膠，而且還起到了減少機翼重量的雙重功用，而其密封效果非常好。因而，目前不管國內還是國外，對整體油箱上緊固件的密封問題，都有走以緊固件自身密封為主的密封道路的趨勢，但不管怎樣，要保證翼面上大量緊固件孔絕對密封，目前仍非常困難。
四、制造、工藝性分析
1、毛料供應
擠壓型整體機加板不僅有較好的力學性能，而且其材料利用率、生產效率都比較高。論文發(fā)表。論文發(fā)表。但毛坯模具制造周期長、投資大，從而使供應出的壁板毛坯費用較高，加之其截面最小厚度尺寸要受都擠壓工藝、技術水平的限制，因而在低載情況下，擠壓整體機加板的毛坯仍需進行大量的機械加工工作，材料利用率和生產效率應根據(jù)實際情況客觀評價。論文發(fā)表。
蒙皮鉚接加強板的毛坯不僅取材容易，而且可根據(jù)實際承載需要加工出更復雜的蒙皮內形。同時其生產準備周期短，毛坯的成本將低于整體機加板。
2、機械加工
整體機加板可依靠先進的數(shù)控加工方法對其進行集中加工，生產效率高，但其加工的效率、難度取決于所供毛坯狀態(tài)、所需加工表面、加筋條形狀以及所用數(shù)控機床的坐標數(shù)。而對于整體鉚接加強板，其加工難度和對機床能力的要求要比整體機加板小些，且其下壁長桁上橢圓形通油孔非常容易加工，幾乎不受任何限制。
3、噴丸成形
噴丸成形不僅成形方便，操作方法靈活多變，而且極大提高零件的疲勞壽命；因而國外已將其列入鈑金件主要成形方法之一。但其成形質量，成形周期完全取決于操作者的技術水平和對噴丸變形規(guī)律的掌握，對于整體機加板，其成形的難度和時間可能要比鉚接加強板大，且在該工序對公差的控制較難，這將直接影響裝配時的協(xié)調難度。而該問題，對于鉚接加強板將不存在。
3、裝配
對于整體機加板，它不需要鉚接長桁，其裝配工時將遠小于蒙皮鉚接加強板。整體機加板長桁位置及其裝配協(xié)調關系是通過數(shù)控加工方法來確定和保證的，而對于毛料成形等引入的位置誤差只有在總裝時協(xié)調解決，因而整體機加壁板在裝配時可能存在需協(xié)調的問題較多。而對于整體蒙皮鉚接加強板，它與梁、肋、梳妝件等間的協(xié)調是通過相互協(xié)調的零件來保證的，因而其裝配難度可能比整體板小，但它需要鉚接長桁、肋和梁，且要對其進行密封，因而其裝配工時比整體板多。
五、結論
通過以上的對比分析，對于軍用運輸機，由于其用途的特殊性，它的飛行、起落次數(shù)遠低于民用運輸機，因而，對疲勞和損傷容限的要求沒有民機那么突出，所以建議采用整體壁板，這樣既能滿足使用要求，又能減輕重量，但造價偏高。所以對于不同用途的運輸機，機翼上下壁板結構形式的選擇，必須從我國的實際情況出發(fā)，對其進行綜合考慮，從中選取一種既滿足設計性能指標，同時又是最經濟，最符合實際狀態(tài)的一種壁板形式。
六、參考文獻
1. 損傷容限設計手冊航空航天工業(yè)部科學技術研究院 譯 西北工業(yè)大學出版社1989.8第1版
2. 飛機設計手冊 （9）載荷、強度和剛度 解思適 航空工業(yè)出版社 2001.12第1版
