劉瑩飛 馮成慧 王乾平 李云鵬

摘 要：飛機舵面鉸鏈結(jié)構(gòu)在飛行姿態(tài)控制和可靠性方面有重要作用，但在其損傷容限設(shè)計方面缺乏系統(tǒng)性的指導(dǎo)。運輸類飛機適航規(guī)章25.571條款中對損傷容限設(shè)計所做出的頂層要求，是現(xiàn)代民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計必須遵循的規(guī)范。本文介紹了波音和空客不同的技術(shù)途徑典型鉸鏈機構(gòu)，分析了緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)和多傳力破損安全結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點。研究結(jié)果表明，多傳力路徑的破損安全結(jié)構(gòu)能顯著降低鉸鏈單點失效概率，同時提出從翼面高度和氣動載荷方面進行典型鉸鏈的損傷容限設(shè)計。

關(guān)鍵詞：鉸鏈； 損傷容限； 波音； 空客； 差異

中圖分類號：V267 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.07.007

飛機襟翼、副翼鉸鏈機構(gòu)是連接飛機機翼盒段與舵面的主要承力和運動機構(gòu)，其主要作用是連接襟翼、副翼本體和機翼盒段，并實現(xiàn)襟翼、副翼與機翼盒段的相對運動。典型鉸鏈機構(gòu)的設(shè)計是一項獨特而復(fù)雜的工作[1]，且必須符合運輸類飛機適航規(guī)章25.571條款[2]的相關(guān)要求。

美國聯(lián)邦航空局（FAA）通過修正案25-86，將聯(lián)邦航空條例25.571條款（結(jié)構(gòu)的損傷容限與疲勞評定）與歐洲航空安全局（EASA）發(fā)布的聯(lián)合航空條例的適航要求進行了協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使FAA與EASA在條款層面基本一致[3]。因此，波音和空客飛機典型鉸鏈的設(shè)計遵循的頂層條款是一致的，都是遵循損傷容限的理念。國內(nèi)孫潔瓊等[4]對多個典型機型后機身與垂尾的連接結(jié)構(gòu)方案進行了研究，發(fā)現(xiàn)波音采用平面對接形式，空客則以順航向耳片式連接為主，但都遵循破損安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。徐偉峰[5]提出增大銷軸過盈量及提高摩擦因數(shù)的方法來提高鉸鏈結(jié)構(gòu)的可靠性。蔡永明[6]建立了一種基于當(dāng)量應(yīng)力損傷的耐久性分析方法用于耐久性設(shè)計及經(jīng)濟壽命預(yù)測。任斯遠[7]將擴展有限元與晶體塑性有限元相結(jié)合，對LMD-TC18鈦合金的靜力及疲勞裂紋擴展路徑進行了模擬。周彬[8]則考慮了結(jié)構(gòu)件的防轉(zhuǎn)、防松以及軸承和襯套的選擇對破損安全多傳力結(jié)構(gòu)的影響。周顏[9]考慮動態(tài)沖擊載荷對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。魯馮杰[10]總結(jié)了一套民用飛機機身框?qū)宇^損傷容限分析的方法。

損傷容限設(shè)計是飛機活動面必須考慮的設(shè)計原則，但目前國內(nèi)尚缺乏對飛機活動面鉸鏈在損傷容限結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的指導(dǎo)原則。本文從損傷容限設(shè)計角度介紹波音和空客飛機典型鉸鏈結(jié)構(gòu)的情況，并對比分析兩種路線的優(yōu)缺點，用以指導(dǎo)典型鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1 運輸類飛機適航規(guī)章結(jié)構(gòu)的損傷容限評定

運輸類飛機適航規(guī)章25.571條款總則規(guī)定：對強度、細節(jié)設(shè)計和制造的評定，必須表明飛機在整個使用壽命期間將避免由疲勞、腐蝕、制造缺陷或意外損傷引起的災(zāi)難性破壞。對可能引起災(zāi)難性破壞的每一結(jié)構(gòu)部分（如機翼、尾翼、操縱面及其系統(tǒng)，機身、發(fā)動機架、起落架以及上述各部分有關(guān)的主要連接），除本條（c）規(guī)定的情況以外，必須按本條（b）和（e）的規(guī)定進行這一評定。

損傷容限設(shè)計原則的提出否定了這種僅依靠設(shè)計來保障安全的設(shè)計原則，強調(diào)要通過檢查來保障飛機結(jié)構(gòu)的安全性，并沒有否定破損安全結(jié)構(gòu)，而是在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中繼續(xù)沿用破損安全結(jié)構(gòu)[11]。損傷容限設(shè)計技術(shù)的總目標(biāo)是保證含有裂紋的結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用期內(nèi)，其承載能力不小于在這個期間可能遭受到的最大載荷，從而使機體不會由于裂紋存在而發(fā)生災(zāi)難性破壞，保證機體安全。損傷容限設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：一類是緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)，另一類是破損安全結(jié)構(gòu)。緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)包括緩慢裂紋擴展不可檢結(jié)構(gòu)和緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)，破損安全結(jié)構(gòu)則包括破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)和破損安全止裂結(jié)構(gòu)[12]。這種含破損安全的損傷容限設(shè)計思想構(gòu)筑了飛機損傷容限設(shè)計體系，同時可以通過損傷容限設(shè)計來回應(yīng)安全性要求，這是現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計的理論體系的重要組成部分[13]。

2 波音系列飛機襟翼、副翼鉸鏈損傷容限結(jié)構(gòu)

波音系列飛機襟翼和副翼鉸鏈機構(gòu)設(shè)計理念是一致的，典型鉸鏈損傷容限的基本原則均采用緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)。緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)要保證結(jié)構(gòu)在檢查間隔內(nèi)剩余強度滿足要求，安全是靠裂紋的緩慢擴展和縮短檢查間隔來保證的。

2.1 襟翼

襟翼一般是靜定結(jié)構(gòu)。襟翼最薄弱的連接是鉸鏈機構(gòu)，因為每一個翼面正常情況下僅有兩個鉸鏈機構(gòu)。增升裝置結(jié)構(gòu)失效基本發(fā)生在低速飛行時，因為增升裝置展開，載荷的力臂變大，操縱載荷也隨之增大。在低速操縱模式中，為了排除結(jié)構(gòu)失效，鉸鏈機構(gòu)必須按照破損安全原則設(shè)計。

波音767、777和787均采用鉸鏈機構(gòu)控制襟翼運動，且鉸鏈機構(gòu)采用緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)。波音767后緣襟翼連桿機構(gòu)可以描述為一個“鉸接小梁，4連桿機構(gòu)”[14]。波音777外襟翼和內(nèi)主襟翼支撐機構(gòu)為倒置/垂直的4連桿機構(gòu)，這種布置決定了連桿比較長，操縱力矩很大。波音777設(shè)置有一塊襟副翼，該襟副翼在兩端布置有兩個鉸鏈，均為操縱和懸掛復(fù)合接頭，操縱點位于襟副翼前緣前部，懸掛點位于襟副翼下部，鉸鏈接頭在懸掛部位兩側(cè)安裝有金屬薄板，增加了接頭的強度。

波音787采用下沉鉸鏈襟翼。機構(gòu)復(fù)雜度大幅度降低，基本可靠性大幅度提高。波音787鉸鏈機構(gòu)如圖1所示。波音787內(nèi)外襟翼各布置兩個驅(qū)動裝置，通過旋轉(zhuǎn)作動器的運動實現(xiàn)襟翼的收放運動。內(nèi)外襟翼分別布置兩套鉸鏈式支臂搖臂、兩套輔助滑軌支撐，輔助滑軌支撐限制襟翼兩端的變形；在外襟翼兩套鉸鏈式支臂搖臂之間布置了一個變形控制約束點。

2.2 副翼

波音副翼鉸鏈結(jié)構(gòu)采用緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)。波音777飛機副翼為雙點操縱7點懸掛形式，另外布置了兩個平衡搖臂，以防止作動器失效下副翼顫振。副翼中部均勻分布三個懸掛接頭，承載整塊副翼的大部分載荷，中部三個懸掛接頭之間布置兩個操縱接頭；副翼內(nèi)側(cè)布置單個懸掛接頭起支撐作用；副翼外側(cè)零星布置三個懸掛接頭，用以承載副翼外側(cè)部分載荷；副翼內(nèi)側(cè)和中部、中部和外側(cè)之間布置兩個平衡搖臂。波音777飛機副翼鉸鏈布置圖如圖2所示。

波音787飛機副翼為雙點操縱5點懸掛形式，較均勻地分布在副翼前緣，以剪切形式與前梁連接，如圖3所示。兩個操縱接頭布置于前緣結(jié)構(gòu)中部，材料為鈦合金；5個懸掛接頭分散布置于前緣，其由鋁合金材料制成。

波音777和787出于破損安全考慮，將副翼舵面的驅(qū)動布置為雙路驅(qū)動，為使操縱載荷均衡，將操縱點布置于壓心兩側(cè)，同時便于控制翼面的變形。副翼翼面高度較高，操縱與懸掛采用共面布置，保證結(jié)構(gòu)傳力直接和簡潔。為控制舵面整體的變形協(xié)調(diào)，使舵面有較好的受力特性，懸掛點沿展向均勻分布于前緣。該結(jié)構(gòu)布置形式能確保單點失效后，舵面姿態(tài)基本無變化，但會導(dǎo)致相鄰鉸鏈點載荷增高，單點失效的風(fēng)險會上升。

2.3 緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)

波音系列飛機一般以緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)損傷容限原理來指導(dǎo)鉸鏈結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其思想是利用結(jié)構(gòu)的可檢性提高剩余強度。波音主要通過以下幾個方面的措施來實現(xiàn)損傷容限結(jié)構(gòu)設(shè)計：（1）選擇裂紋擴展速率低、斷裂韌度高的材料，減緩材料裂紋擴展速率；（2）鉸鏈布置位置分布均勻，整塊舵面的載荷會較均勻地分布在鉸鏈點位置，避免出現(xiàn)載荷集中分布在同一個接頭，形成應(yīng)力集中，進而造成鉸鏈結(jié)構(gòu)的破壞；（3）通過縮短檢查間隔延長壽命。然而這種結(jié)構(gòu)卻存在一定的缺陷，只有依靠檢修才能保證安全，這就增加了人員工作負擔(dān)和檢修成本。

3 空客系列飛機襟翼、副翼鉸鏈損傷容限結(jié)構(gòu)

空客系列飛機襟翼、副翼結(jié)構(gòu)設(shè)計特點一脈相承，典型鉸鏈損傷容限的基本原則采用破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)滿足如下條件時，才真正符合破損安全多途徑傳力結(jié)構(gòu)要求：（1）在主傳力途徑失效前，要求結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)在最小未修使用期限內(nèi)可能遭遇的最大載荷；（2）在主傳力途徑失效時，殘存結(jié)構(gòu)必須有能力承受引起傳力途徑失效的載荷，再加上有斷裂元件轉(zhuǎn)嫁過來的載荷并考慮動載效應(yīng)增量；（3）必須有足夠強的緊固件以保證將失效結(jié)構(gòu)上的載荷傳遞到殘存結(jié)構(gòu)上。

破損安全按鉸鏈位置布置方式分為多點破損安全和單點破損安全。

（1）多點破損安全

舵面有多個（三個及以上）懸掛（或鉸鏈）點，其中任意一個懸掛點發(fā)生斷裂后，剩下的幾個懸掛（鉸鏈）點還能承受“67%的極限載荷+重復(fù)檢查間隔”。空客飛機副翼多采用此種設(shè)計理念。

（2）單點破損安全

舵面有兩個懸掛（或鉸鏈）點，每個懸掛（或鉸鏈）點都有兩套傳力路線，鉸鏈設(shè)計兩套傳力路線的單元包括單耳、雙耳、銷軸，以及搖臂與舵面的連接、支臂與機翼的連接，其中一套傳力路線的任何一個單元發(fā)生斷裂后，第二套傳力路線還能承受67%的極限載荷。空客飛機襟翼一般采用此種設(shè)計理念。

3.1 襟翼

空客襟翼鉸鏈機構(gòu)普遍采用單點破損安全結(jié)構(gòu)。A350后緣采用下沉式自適應(yīng)鉸鏈襟翼。在襟翼下偏時，擾流板可下偏到一個最有利的位置，減小了縫道間隙，減輕了機翼后緣上表面的氣流分離，在保證縫道參數(shù)的情況下，使襟翼可以偏轉(zhuǎn)更大的角度，從而改善單縫襟翼的氣動性能，同時降低了噪聲，減輕了結(jié)構(gòu)重量。A380襟翼大拉桿采用鈦-鋁-鈦三層結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在螺栓鉸鏈處通過帶凸肩的關(guān)節(jié)軸承將三層結(jié)構(gòu)夾緊，在其他地方通過一排釘將三層結(jié)構(gòu)連接在一起。A380鈦-鋁-鈦三層結(jié)構(gòu)中，鋁板夾在兩層鈦板中間作為第一傳力路線，當(dāng)鋁板發(fā)生斷裂（疲勞或腐蝕）時，兩側(cè)的鈦板作為第二傳力路線承載。該方案的優(yōu)點是兩側(cè)的鈦板為對稱結(jié)構(gòu)，不會引起偏載，缺點是鋁板夾在兩層鈦板中間，且鋁板作為第一傳力路線，有裂紋時不會被檢查到。

A350、A380襟翼下沉鉸鏈機構(gòu)均采用了兩套傳力路線，鉸鏈機構(gòu)中的單耳采用“鋁-鈦-鋁”三層結(jié)構(gòu)，鉸鏈機構(gòu)中雙耳的每個單耳均采用“鋁-鈦”兩層結(jié)構(gòu)，連接單耳和雙耳的采用“空心銷-螺栓”兩套結(jié)構(gòu)。這種防斷裂余度設(shè)計能有效地降低斷裂故障概率，實質(zhì)性地提高下沉鉸鏈機構(gòu)的任務(wù)可靠性，從而滿足CCAR-25.571條款的要求。

復(fù)合耳片的材料厚度比是單點破損安全結(jié)構(gòu)的設(shè)計難點，目前國內(nèi)尚缺乏有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論?？湛鸵罁?jù)破損安全設(shè)計理念，參考材料的彈性模量，形成了一套成熟可靠的混雜余度耳片設(shè)計方法。馮蘊雯[15]同樣基于變形協(xié)調(diào)設(shè)計原則，確定了“鋁-鈦-鋁”厚度比例為0.8∶1∶0.8的單耳設(shè)計方案。

3.2 副翼

與襟翼鉸鏈破損安全結(jié)構(gòu)設(shè)計思路不同，空客副翼鉸鏈機構(gòu)普遍采用多點破損安全結(jié)構(gòu)。A340、A350XWB等飛機將副翼設(shè)計成多點破損安全結(jié)構(gòu)，采用“3+2”形式，內(nèi)側(cè)三個鉸鏈中間布置兩個操縱，這三個鉸鏈允許其中一個損傷后，其余兩個可以承受結(jié)構(gòu)限制載荷。外側(cè)兩個鉸鏈點位置接近，允許其中一個發(fā)生破壞后，另一個可以承受結(jié)構(gòu)限制載荷。A380飛機副翼同樣采用“3+2”形式，只是形式略有不同，三個懸掛接頭與兩個操縱接頭組成接頭組合體，布置于副翼內(nèi)端，另外兩個輔助懸掛接頭布置于翼尖端，如圖5所示。

空客A340、A350和A380副翼靠近翼尖，副翼艙空間有限，作動器只能布置在靠近翼根一側(cè)，操縱接頭也只能隨其位置；同時翼面高度受限，操縱和懸掛接頭不能共面，只能選擇多操縱懸掛耦合接頭的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式保證鉸鏈單點失效后，舵面姿態(tài)和傳力路徑不發(fā)生明顯變化。然而，由于鉸鏈位置分散，舵面變形不易控制，勢必付出一定的重量（質(zhì)量）代價。

3.3 空客的破損安全結(jié)構(gòu)

空客系列飛機鉸鏈結(jié)構(gòu)以破損安全損傷容限原理為指導(dǎo)，要求當(dāng)主傳力途徑失效前殘存結(jié)構(gòu)仍能夠承擔(dān)最小未修使用期限內(nèi)可能遭遇的最大載荷?？湛偷湫豌q鏈的破損安全結(jié)構(gòu)有以下幾個特點：（1）設(shè)置多個傳力路徑，單點破損安全結(jié)構(gòu)的鉸鏈采用不同的金屬材料組成多層結(jié)構(gòu)，而多點破損安全結(jié)構(gòu)的鉸鏈則為同種金屬材料的整體耦合接頭形式，均能保證在主傳力路徑失效后仍存有相似的承力結(jié)構(gòu)以保證飛機舵面的正常功能；（2）鉸鏈布置位置受翼面高度影響一般分布在舵面內(nèi)外兩側(cè)，對舵面的整體布置影響較小，但鉸鏈受力比較集中，舵面容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。

4 差異性分析

通過前文介紹，容易發(fā)現(xiàn)波音和空客兩個系列在民用飛機典型鉸鏈損傷容限設(shè)計中采用的頂層原則相同，但是技術(shù)路徑?jīng)芪挤置鳎翰ㄒ粝盗酗w機選擇單傳力緩慢裂紋擴展結(jié)構(gòu)，空客系列飛機選擇破損安全結(jié)構(gòu)。

波音系列飛機襟翼、副翼鉸鏈機構(gòu)均采用單傳力緩慢裂紋擴展可檢結(jié)構(gòu)，具體為“2+N”鉸鏈形式，即兩個操縱接頭和多個懸掛接頭，較均勻地分布于襟翼、副翼。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：（1）結(jié)構(gòu)簡單；（2）重量輕；（3）舵面變形容易控制。缺點是：（1）其中一個鉸鏈發(fā)生斷裂后，結(jié)構(gòu)構(gòu)型會發(fā)生較大變化；（2）安全性可以滿足要求，但是沒有破損安全結(jié)構(gòu)高。設(shè)計難點在于：（1）對材料的性能指標(biāo)要求很嚴格，要選擇裂紋擴展速率慢、斷裂韌度高的材料；（2）對結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平要求高，要合理控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平；（3）要求裂紋可檢。

空客系列飛機雖然襟翼、副翼鉸鏈機構(gòu)均采用破損安全結(jié)構(gòu)，但襟翼和副翼鉸鏈結(jié)構(gòu)卻有一定區(qū)別。襟翼鉸鏈機構(gòu)采用單點破損安全結(jié)構(gòu)，襟翼布置兩個鉸鏈點，單個鉸鏈機構(gòu)的雙耳（采用鈦—鋁兩層結(jié)構(gòu)）、單耳（采用鋁—鈦-鋁三層結(jié)構(gòu)）、螺栓（空心銷+實心小螺栓）均為兩套傳力路線，其中一套傳力路線失效后，還有一套傳力路線可以承載。副翼鉸鏈機構(gòu)設(shè)計成多點破損安全結(jié)構(gòu)，采用“3+2”兩組鉸鏈的形式，三個懸掛接頭與兩個操縱接頭組成接頭組合體，布置于副翼內(nèi)端，距離很近，另外兩個輔助懸掛接頭布置于翼尖端，距離很近，鉸鏈允許其中一個斷裂后，其余幾個可以承受結(jié)構(gòu)限制載荷，由于鉸鏈距離近，幾乎不會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)型發(fā)生較大變化。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：（1）單個鉸鏈失效后，不會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)型發(fā)生較大的變化；（2）安全性更高。缺點是：（1）由于兩組鉸鏈跨度較大，舵面的變形不易控制，舵面會付出一定的重量代價；（2）破損安全設(shè)計會導(dǎo)致鉸鏈付出一定的重量代價。設(shè)計難點在于：（1）對于鈦-鋁、鋁-鈦-鋁耳片雙傳力路線的不同材料厚度比例設(shè)計，鈦-鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)異電位腐蝕防護設(shè)計；（2）第一傳力路徑、第二傳力路徑分析、驗證，設(shè)計過程相對復(fù)雜；（3）要求裂紋可檢。

通過以上分析可以從不同視角對活動面的鉸鏈機構(gòu)進行設(shè)計。

（1）空客襟翼鉸鏈機構(gòu)均是多傳力路徑，單點能承受更大的載荷，失效概率低。舵面鉸鏈接頭耳片可采用多層金屬結(jié)構(gòu)，能明顯提高鉸鏈的可靠性。

（2）當(dāng)活動面遠離翼尖或承受較大氣動載荷時，應(yīng)選擇波音飛機襟、副翼鉸鏈布置形式，操縱接頭采用單點破損安全結(jié)構(gòu)，不僅能提高安全性，而且能減輕飛機結(jié)構(gòu)的重量。而當(dāng)活動面靠近翼尖或承受較小的氣動載荷時，則采用空客副翼的多點破損安全結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)能在有限空間內(nèi)保證安全性：鉸鏈單點失效后，舵面姿態(tài)和傳力路徑不發(fā)生明顯變化。

（3）鉸鏈接頭沿翼面展向布置，其數(shù)量與間距視結(jié)構(gòu)強度和剛度要求而定。鉸鏈接頭的相對位置視翼面高度而定，高度足夠時，一般將操縱接頭與懸掛接頭布置于同一個平面內(nèi)，從而減少偏心彎矩的影響；高度受限時，以壓心位置為中心，將鉸鏈接頭分布于壓心兩側(cè)，平衡翼面的剛度。

5 結(jié)束語

波音和空客飛機在典型鉸鏈損傷容限設(shè)計方面遵循兩種不同的設(shè)計理念，造成這種差異的主要原因是受限于翼面高度和氣動載荷大小，具體體現(xiàn)在鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式和鉸鏈點布置上。本文提出采用正向設(shè)計的方法，根據(jù)翼面高度和氣動載荷選擇鉸鏈結(jié)構(gòu)形式和鉸鏈的空間布置形式。本文能為國內(nèi)飛機典型鉸鏈在損傷容限方面的設(shè)計提供一定支持。

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Analysis on the Difference between Boeing and Airbus in the Damage Tolerance of Typical Hinges

Liu Yingfei， Feng Chenghui， Wang Qianping， Li Yunpeng AVIC The First Aircraft Institute， Xi’an 710089， China

Abstract： The aircraft rudder hinge structure plays a pivotal role in flight attitude control and reliability， and there is a lack of systematic guidance on its damage tolerance design. According to CCAR 25.571， the top-level requirements for damage tolerance design are conducted， and it is necessary for modern civil aircraft structure to follow the norms. It introduces the typical hinge mechanisms from Boeing and Airbus with different technical pathways， and analyzes the technical characteristics of slow crack propagation structure and multi-force damage safety structure. Through the research， it is concluded that the damage safety structure of the multi-path load tranfer can significantly reduce the probability of single-point failure of the hinge， and the damage tolerance design of the typical hinge is proposed from the aspects of rudder height and aerodynamic load.

Key Words： hinge； damage tolerance； Boeing； Airbus； difference