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摘要 在某型飞机500飞行小时定检中，发现后机身与垂尾连接接头耳片出现裂纹。以有限元计算为手段，结合耳片断口检测工作，确定了裂纹出现原因，并为后续类似耳片对接设计提供参考。
关键词 裂纹 分析 间隙 应力腐蚀
【分类号】：TG333.2
1 引言
对某型飞机进行500飞行小时定检时，发现后机身与垂尾连接接头耳片出现裂纹。后经普查发现机身与垂尾相连的四组接头耳片中，中间两组耳片在根部沿飞机航向出现裂纹，且均在耳片外侧，如图1所示。
2 耳片裂纹原因分析
飞机后机身与垂尾连接接头材料LD5，极限强度为365MPa。接头耳片与垂尾接头耳片为间隙装配（即两接头耳片间存在1.5mm的间隙），只承受Px、Py载荷。垂尾与机身连接关系、机身接头受力见图2所示。
经接头强度校核可知，正常情况下接头载荷较小，接头耳孔及接头耳片根部截面应力水平都较低，满足静强度要求。且该型号飞机垂尾的3种严重工况设计载荷的100%试验均顺利通过，无任何构件出现破坏，接头已得到考核，满足静强度要求。而该型飞机的疲劳试验也顺利完成，接头耳片上未出现任何裂纹。
实地观测可知，接头耳片的裂纹出现在外表面，不是应力最高的前端面或后端面，因此，应该不是飞行载荷引起的裂纹产生。但外场飞机的接头耳片上确实出现裂纹，这裂纹产生的原因只可能是非正常的载荷导致。
对接头两耳片的开档尺寸进行测量，发现接头耳片在顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸小于接头耳片根部处的开档尺寸，这说明接头耳片有向内倾斜的现象。当拆下螺栓后，接头耳片顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸均有回弹，也就是说拆下螺栓后，接头耳片顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸要比装螺栓时接头耳片顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸大，这说明由于螺栓安装过紧，产生了装配预紧力，使得接头耳片向内弯曲。
为了分析接头耳片根部在多大的螺栓预紧力作用下会破坏，采用体单元建立了接头三维有限元模型，在接头螺栓孔处加预紧力，对接头进行了有限元应力分析，由接头有限元应力分析结果可知，当螺栓预紧力P=12167N时，接头耳片根部截面的最大应力为365MPa，与接头材料（LD5）的强度极限值相等，接头耳片根部破坏，此时，接头耳片的螺栓孔产生0.18mm的位移，见图3所示。
由接头的强度校核结果可知，在正常使用情况下，接头的应力水平较低，其强度能满足使用要求，不会产生裂纹。开档尺寸测量结果以及螺栓预紧力作用下接头耳片根部应力分析表明，在安装垂尾的过程中，由于螺栓拧得过紧，螺栓产生了较大的预紧力，在螺栓预紧力的作用下，接头耳片产生了弯曲，同时在接头耳片根部产生了较大的装配弯曲预应力。通过现场察看裂纹可知，接头的裂纹都出现在接头耳片根部的外侧表面，有的接头两个耳片根部的外侧表面同时产生裂纹，这种情况只有在接头耳片受到向内的侧向的载荷（即垂直于耳片表面的载荷）作用并使耳片产生弯曲时才会出现。综上，间隙装配的接头耳片，在螺栓的预紧力作用下向内弯曲。
3 断口检查
为了确定裂纹的产生原因，对接头耳片裂纹进行了断口检查分析。检测结果表明接头材料显微组织正常、化学成分合格、硬度合格，接头裂纹性质也为应力腐蚀开裂。接头耳片根部表面阳极化膜局部开裂，使基体暴露在腐蚀环境下，在拉应力的作用下，应力腐蚀裂纹出现。
4 结论
综上所述，接头裂纹出现的原因是：在安装垂尾的过程中，由于螺栓拧得过紧，螺栓产生了较大的预紧力，在螺栓预紧力的作用下，接头耳片产生向内弯曲，同时在接头耳片根部产生了较大的装配弯曲预应力，使外层的阳极化膜出现裂开或脱落，让基体暴露在腐蚀环境中。且在装配弯曲预应力作用下，出现了应力腐蚀裂纹，见图4所示。
5 建议
接头裂纹出现源头虽然是工人在安装垂尾时，螺栓拧得过紧使得耳片向内弯曲所致，但翻看设计和工艺文件，并未对该处的装配提出要求。当有经验的工人安装时，耳片不会出现这种预紧力，当经验欠缺的工人安装时，耳片就可能出现这种预紧力和后续裂纹。为了减少类似故障情况发生，在设计改种传剪接头时，可以采用大螺栓小螺母配合（传载区螺栓光杆直径较大，螺纹区直径较小），从而在本质上杜绝工人在装配过程中可能出现的误操作，引起类似故障出现。
参考文献
[1] 飞机设计手册总编委会. 飞机设计手册第9册 载荷、强度和刚度[M]. 北京：航空工业出版社，2001.
[2] 飞机设计手册总编委会. 飞机设计手册第10册 结构设计[M]. 北京：航空工业出版社，2000.
作者简介：朱亲强 （1982.1—）现为中航工业洪都650所强度设计研究部工程师。
关键词 裂纹 分析 间隙 应力腐蚀
【分类号】：TG333.2
1 引言
对某型飞机进行500飞行小时定检时，发现后机身与垂尾连接接头耳片出现裂纹。后经普查发现机身与垂尾相连的四组接头耳片中，中间两组耳片在根部沿飞机航向出现裂纹，且均在耳片外侧，如图1所示。
2 耳片裂纹原因分析
飞机后机身与垂尾连接接头材料LD5，极限强度为365MPa。接头耳片与垂尾接头耳片为间隙装配（即两接头耳片间存在1.5mm的间隙），只承受Px、Py载荷。垂尾与机身连接关系、机身接头受力见图2所示。
经接头强度校核可知，正常情况下接头载荷较小，接头耳孔及接头耳片根部截面应力水平都较低，满足静强度要求。且该型号飞机垂尾的3种严重工况设计载荷的100%试验均顺利通过，无任何构件出现破坏，接头已得到考核，满足静强度要求。而该型飞机的疲劳试验也顺利完成，接头耳片上未出现任何裂纹。
实地观测可知，接头耳片的裂纹出现在外表面，不是应力最高的前端面或后端面，因此，应该不是飞行载荷引起的裂纹产生。但外场飞机的接头耳片上确实出现裂纹，这裂纹产生的原因只可能是非正常的载荷导致。
对接头两耳片的开档尺寸进行测量，发现接头耳片在顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸小于接头耳片根部处的开档尺寸，这说明接头耳片有向内倾斜的现象。当拆下螺栓后，接头耳片顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸均有回弹，也就是说拆下螺栓后，接头耳片顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸要比装螺栓时接头耳片顶部、螺栓孔中心处的开档尺寸大，这说明由于螺栓安装过紧，产生了装配预紧力，使得接头耳片向内弯曲。
为了分析接头耳片根部在多大的螺栓预紧力作用下会破坏，采用体单元建立了接头三维有限元模型，在接头螺栓孔处加预紧力，对接头进行了有限元应力分析，由接头有限元应力分析结果可知，当螺栓预紧力P=12167N时，接头耳片根部截面的最大应力为365MPa，与接头材料（LD5）的强度极限值相等，接头耳片根部破坏，此时，接头耳片的螺栓孔产生0.18mm的位移，见图3所示。
由接头的强度校核结果可知，在正常使用情况下，接头的应力水平较低，其强度能满足使用要求，不会产生裂纹。开档尺寸测量结果以及螺栓预紧力作用下接头耳片根部应力分析表明，在安装垂尾的过程中，由于螺栓拧得过紧，螺栓产生了较大的预紧力，在螺栓预紧力的作用下，接头耳片产生了弯曲，同时在接头耳片根部产生了较大的装配弯曲预应力。通过现场察看裂纹可知，接头的裂纹都出现在接头耳片根部的外侧表面，有的接头两个耳片根部的外侧表面同时产生裂纹，这种情况只有在接头耳片受到向内的侧向的载荷（即垂直于耳片表面的载荷）作用并使耳片产生弯曲时才会出现。综上，间隙装配的接头耳片，在螺栓的预紧力作用下向内弯曲。
3 断口检查
为了确定裂纹的产生原因，对接头耳片裂纹进行了断口检查分析。检测结果表明接头材料显微组织正常、化学成分合格、硬度合格，接头裂纹性质也为应力腐蚀开裂。接头耳片根部表面阳极化膜局部开裂，使基体暴露在腐蚀环境下，在拉应力的作用下，应力腐蚀裂纹出现。
4 结论
综上所述，接头裂纹出现的原因是：在安装垂尾的过程中，由于螺栓拧得过紧，螺栓产生了较大的预紧力，在螺栓预紧力的作用下，接头耳片产生向内弯曲，同时在接头耳片根部产生了较大的装配弯曲预应力，使外层的阳极化膜出现裂开或脱落，让基体暴露在腐蚀环境中。且在装配弯曲预应力作用下，出现了应力腐蚀裂纹，见图4所示。
5 建议
接头裂纹出现源头虽然是工人在安装垂尾时，螺栓拧得过紧使得耳片向内弯曲所致，但翻看设计和工艺文件，并未对该处的装配提出要求。当有经验的工人安装时，耳片不会出现这种预紧力，当经验欠缺的工人安装时，耳片就可能出现这种预紧力和后续裂纹。为了减少类似故障情况发生，在设计改种传剪接头时，可以采用大螺栓小螺母配合（传载区螺栓光杆直径较大，螺纹区直径较小），从而在本质上杜绝工人在装配过程中可能出现的误操作，引起类似故障出现。
参考文献
[1] 飞机设计手册总编委会. 飞机设计手册第9册 载荷、强度和刚度[M]. 北京：航空工业出版社，2001.
[2] 飞机设计手册总编委会. 飞机设计手册第10册 结构设计[M]. 北京：航空工业出版社，2000.
作者简介：朱亲强 （1982.1—）现为中航工业洪都650所强度设计研究部工程师。