复合材料外场维修技术及几点建议_林正杰.pdf
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1、DOI:1019392/jcnki1671-7341202318054复合材料外场维修技术及几点建议林正杰段友社白树成中国航空制造技术研究院复合材料技术中心北京101300摘要:随着复合材料装机规模越来越大,其在使用和维护过程中的损伤和维修问题变得越来越突出。目前,国内装机复合材料的维修工作缺乏统一规划,不同机型采用“自顾自”的方式进行维修,同时维修方案往往没有考虑到外场维修条件和更新换代等问题。为解决这些问题,本文建议尽快建立军机复合材料结构损伤数据库和维修专家系统,以便开发选择适合外场条件下具有普遍适用性的修补材料系统和工艺规范。此外,本文建议设计部门在结构设计时,不仅要考虑结构减重效率,
2、同时还要兼顾飞机的后续使用和维护保养。关键词:复合材料;损伤数据库;维修专家系统;修补材料体系树脂基复合材料因具有可设计性优异、高比强度、比模量、耐腐蚀等优异特性,现已成为航空制造领域不可缺少的材料之一1。复合材料的应用具有可使飞机结构减重10%40%、结构设计成本降低 15%30%的优势,其逐步由非承力结构发展到次承力结构,直至目前在主承力结构上的广泛使用。近年来,复合材料加工和生产技术的飞速发展使得复合材料的生产成本大大降低,在面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准时,复合材料在新型飞机上的用量正大幅提高,波音和空客等航空公司在其民机上的复合材料使用量均超过 50%,使用量也快速增
3、加。随着复合材料装机使用规模逐步增加,复合材料结构损伤现象也日益突出,以汉莎 2006 年复材维修统计为例,日均发生 45 宗维修需求,平均每宗维修成本约 200 万2。围绕航空复合材料维修事业的发展,中国南方航空在发展规划中提出针对部分常见损失制定修理规范的策略,通过保障体系和维修材料的使用规范提高维修效率及降低成本3。陆晓华等针对复材结构修理中修理决策的制定,提出了综合考虑损伤因素以安全性为约束条件的修理容限确定方法4。针对飞机不同位置,如桨叶等零件的损失,不同单位都在实践中探索了有价值的修复方法5。本文从复合材料缺陷的分类及原因出发,总结了针对不同损失的维修方法,并提出了对航空复材维修事
4、业发展的几点建议。1 复合材料缺陷及损伤产生原因复合材料的损伤大部分是由于制造的缺陷或使用维护不当而引起的。设计与制造中的缺陷是造成复合材料结构件“先天缺陷”的主要原因,而使用与维护中的不当主要有地面的操作失误、鸟击、雷击、冰雹冲击、砂石冲击等因素。另外,环境也是引起复合材料损伤的一个原因,如复合材料过热引起的腐蚀以及表面保护漆层剥离等损伤。地面的错误操作造成的损伤主要集中在飞机的机身、飞机的机翼和舱门等,而雷击、鸟击主要集中在雷达罩、风挡玻璃等6。11 制造过程产生的缺陷复合材料因其轻量化、高强度和耐腐蚀等性质而被广泛应用于各行各业。然而,复合结构在生产、装配和使用过程中可能出现各种类型的缺
5、陷,这些缺陷会影响它们的性能和使用寿命。一种常见的复合结构类型是层压板,可能出现脱层、贴合不良、皱褶或折叠、鼓包、分层、杂质、过度打磨或损伤纤维、边缘脱层损伤等缺陷。另一种常见类型是复合材料蜂窝夹层结构,可能出现蜂窝芯格压缩、蜂窝芯凹陷和芯子与蒙皮分层等缺陷。这些缺陷可能影响结构的强度和刚度,如果不及时处理可能导致灾难性失效。在复合部件的装配过程中,可能因钻孔、打钻孔、铆接、螺纹连接和变形等原因出现缺陷。常见的缺陷包括制孔缺陷、锪窝缺陷、铰孔缺陷(主要是表面脱层,层数较少)、铆接时缺陷、螺接时缺陷、扭曲/变形等缺陷。这些缺陷可能影响部件的适配性、对齐度和结构完整性。为确保复合结构的安全性和可靠
6、性,必须定期监测和检查它们。在生产过程中,采取跟踪和检测措施以检测缺陷并防止其扩散。在使用和维护过程中,应及时修复任何损坏或缺陷,以防止进一步恶化和潜在故障。复合结构的维修涉及各种技术,如补片、粘接和更换,应由经过培训和合格的人员执行,以确保正确的维修和质量控制。12 使用维护过程中产生的损伤以某型机某复合材料平尾部件为例,统计近十年发生的损伤,其中鸟撞约占 20%,人为造成的损伤约占 70%,冰雹、砂石冲击等其他原因约占 10%。由此可见,人为失误造成的复合材料零部件损伤仍占大多数,虽然已经发展了几十年,各设计、研发、生产单位对复合材料耐疲劳、耐腐蚀、怕冲击等特性都有了全面了解,并对使用单位
7、进行了061理论研究科技风 2023 年 6 月广泛培训,但是从维修经历来看,对复合材料使用维护的培训还是不够细致和全面。121 鸟撞等因素引起的撞击损伤尽管飞机场站在飞行起降过程中都会采取各种措施来防止鸟类与航空器发生碰撞,但鸟撞事件仍然是时有发生。鸟撞等撞击事件可能会对航空器的结构造成严重破坏,严重影响飞行安全。在航空器上,最容易受到鸟撞影响的部位主要集中在机头雷达罩、机翼、平尾的前缘等区域,这些部位通常是航空器表面最突出的部位。如图 1 所示,这些部位的损坏可能会导致严重后果,如损坏飞行控制系统、干扰飞行员视线、破坏气动表面等。因此,为了确保航空器的安全性和可靠性,在设计和制造航空器时必
8、须充分考虑鸟撞等因素,采取必要的措施来减轻鸟撞事件对航空器的影响;同时在飞行维护过程中,也需要对航空器进行定期检查和维护,及时发现并修复可能存在的鸟撞损伤。图 1 鸟撞导致的结构损伤122 砂石冲击、冰雹冲击、雷击等引起的损伤飞机在飞行训练、起降、地面滑行等过程中,可能会遇到跑道表面杂物、碎石、轮胎磨损碎片等障碍物的冲击,这些冲击会对飞机的复合材料零部件造成损伤。此外,飞机在遇到恶劣天气时,如冰雹、雷击等自然现象也会导致结构损伤(如图 2 所示)。相对于鸟撞造成的损伤,这些损伤程度较轻,但仍然需要引起重视。大部分此类损伤可以通过目视检查来发现,但在冲击能量较小的情况下,一些损伤可能需要更为严格
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