Influence of a repair sleeve on static strength and interference fit selection for restoring fastener holes in aircraft damage cases

Аuthors

Ryzhkov M. Y.^{1, 2*}, Pykhalov A. ^{3, 2**}, Zenkov E. V.^{2, 3***}

1. PJSC Yakovlev , 68, Leningradskiy prospect, Moscow, 125315, Russia
2. Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov str., Irkutsk, 664074, Russia
3. Irkutsk State Transport University (IrGUPS), 15, Chernyshevsky str., Irkutsk, 664074, Russia

*e-mail: mixa1997ruz@mail.ru
**e-mail: pykhalov_aa@mail.ru
***e-mail: jovanny1@yandex.ru

Abstract

The restoration of damaged holes in load‑bearing elements of aircraft airframes, for instance due to accidental damage, is a critical operation for ensuring flight safety. One of the effective repair methods involves the use of repair sleeves. The aim of this work is to conduct a comprehensive experimental and numerical study using the finite element method of the impact that installing a repair sleeve has on the static strength of the structure at various interference fit values. To achieve this, static tensile tests were carried out on two types of specimens: samples with a free hole, and samples with sleeves installed with interference fit.
The study has revealed that the method of sleeve installation does not significantly affect the ultimate static strength in ductile aluminium alloy, which is determined by reaching a critical level of maximum shear stresses in the plate material. A specific feature of assessing the impact on static strength in parts with a repair sleeve is the limiting stress value at which a gap appears between the sleeve and the hole surface. Furthermore, calculations have shown a nonlinear relationship between the level of maximum shear stresses and the interference fit value, with a clear convergence to a maximum at an interference fit of 50 μm. At the same time, a local maximum of principal stresses was detected at an interference fit of 40 μm; these stresses have the main influence on fatigue strength. Based on the numerical modelling presented in this work, it is hypothesised that one of the identified extrema could be used to predict the optimal interference fit value for maximising the fatigue life of the structure.

Keywords:

repair bushing; bushing; static strength; interference fit; shear stresses; finite element modeling; optimization; fatigue life

References

1. Фейгенбаум Ю.М., Дубинский С.В. Влияние случайных эксплуатационных повреждений на прочность и ресурс конструкции воздушных судов // Научный вестник МГТУ ГА. 2013. № 187. C. 83–91.
2. Рыжков М.Ю., Пыхалов А.А., Зеньков Е.В. Влияние способа установки ремонтных втулок на напряженно-деформированное состояние деталей планера летательного аппарата // Труды МАИ. 2025. № 143.
3. Leon A. An investigation into the effect of cold expansion on fatigue life of aluminum alloys // International Journal of Fatigue. 2022. Vol. 154. P. 106532. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106532.
4. Сосновский Л.А., Махутов Н.А., Трощенко В.Т. Эволюция представлений об усталости металлов при объемном нагружении и трении // Труды VI Международного симпозиума по трибофатике. 2010. С. 77-84.
5. Третьякова Т.В., Третьяков М.П., Вильдеман В.Э. Оценка точности измерений с использованием видеосистемы анализа полей перемещений и деформаций // Вестник Пермского государственного технического университета. Механика. 2011. № 2. С. 92-100.
6. Скляров Н.М. Авиационные сплавы. Т. 1. Конструкционные стали. – М.: ОНТИ, 1975. – 429 с.
7. Кишкин С.И. Авиационные сплавы. Т. 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы. – М.: ОНТИ. 1982. – 626 с.
8. Finite Element Analysis of Split Sleeve Cold Expansion in 7075 Aluminum Alloy // Materials. 2023. Vol. 16, Issue 3. P. 1109. DOI: 10.3390/ma16031109.
9. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.
10. Siwei Tao and Jiansheng Zou. Experimental study on fatigue performance of bushing repair with different fasteners // Journal of Physics Conference Series. 2021. Vol. 1885, P. 032037. DOI: 10.1088/1742-6596/1885/3/032037.
11. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 592 с.
12. Зарецкий М.В., Сидоренко А.С. Оценка показателей долговечности конструкции авиационного изделия при действии случайных нагрузок // Труды МАИ, 2013, № 70: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=44479
13. Шляпников П.А. Определение предельной амплитуды цикла упрочненных деталей с концентраторами напряжений с сжимающими средними напряжениями // Труды МАИ, 2020, № 114
14. Борисов И. В. Основы теории повреждаемости и восстановления авиационных конструкций. Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. - 65 с.
15. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени // М.: Машиностроение, 1977 – 232 с.
16. Полоник Е.Н., Суренский Е.А., Федотов А.А. Автоматизация расчетов усталостной долговечности элементов авиаконструкций с геометрическими концентраторами напряжений // Труды МАИ, 2016, № 86: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=67799.

Download