復合材料在飛機上的應用與修理

1、復合材料在飛機上的應用與修理摘 要:隨著現(xiàn)代航空業(yè)的飛速發(fā)展,大量飛機進入了維修高峰期。由于飛機本身的造價非常昂貴,相應地對飛機的維護需用的費用也居高不下。而修理方法是否便捷經(jīng)濟,修理效果是否良好,又決定了是否快速恢復運營,提高飛行安全的重要因素。關鍵詞:復合材料 結構損傷 修理背景和意義:隨著現(xiàn)代航空業(yè)的飛速發(fā)展,大量飛機進入了維修高峰期。由于飛機本身的造價非常昂貴,相應地對飛機的維護需用的費用也居高不下。無論是航空公司還是飛機維修企業(yè)都在尋找經(jīng)濟、快速、有效的修理方式,使飛機安全地投入到運營階段。在日益競爭的商業(yè)環(huán)境中,飛機停場造成的經(jīng)濟損失將是非常巨大的。而修理方法是否便捷經(jīng)濟,修理效果

2、是否良好,又決定了是否快速恢復運營,提高飛行安全的重要因素。一、復合材料在飛機上的應用復合材料在飛機結構中的應用情況大致可以分為三個階段:第一階段是應用于受載不大的簡單零部件,如各類口蓋、舵面、整流罩、雷達罩、阻力板、起落架艙門等,據(jù)統(tǒng)計可減重20%左右。第二階段是應用于承力大的部件,如安定面、全動平尾、前機身段、機翼等,據(jù)估計可減重25% 30%。第三階段是應用于復雜受力部位,如機身段、中央翼盒等,據(jù)估計可減重30%。787飛機采用復合材料減重將達50%。表1民用飛機結構材料重量百分比及選材特點 波音767 80 14 2 3 強度、韌性波音777 70 10 7 10 強度、韌性、腐蝕波音

3、787 20 10 15 50 重量、強度、韌性、腐蝕A300 76 13 4 5 疲勞強度A320 76.5 13.5 4.5 5.5 強度、韌性A340 75 8 6 8 強度、韌性、腐蝕二、飛機復合材料結構特點1.層合結構層合板亦稱層壓板(laminate、疊層板或實心層壓板(solid laminate、整體層壓板(monolithic laminate。層合板可制成多種結構形式,并可采用多種工藝方法成形,可設計性強,因此在航空航天飛行器結構中應用十分普遍。層合板是層合結構的基本元素。層合結構系指經(jīng)過適當?shù)闹圃旃に?如共固化、二次膠接、機械連接等,主要由層合板形成的具有獨立功能的較大的

4、三維結構,如翼面結構的梁、肋、壁板、盒段,機身側壁以及飛行器部件等。層合板設計是復合材料結構設計中最最關鍵的設計工作之一,也是復合材料結構設計特有的工作內容。層合板設計主要包括選取合適的鋪層角,確定各鋪層角鋪層的百分比和鋪層順序三方面內容。2.蜂窩夾層膠接結構蜂窩夾層結構通常是由比較薄的面板與比較厚的芯子膠接而成。一般面板采用強度和剛度比較高的材料,芯子采用密度比較小的材料,如蜂窩芯、泡沫芯、波紋板芯等(圖1-1。夾層結構具有重量輕,彎曲剛度及強度大,抗失穩(wěn)能力強,耐疲勞,吸音,隔熱等優(yōu)點,因此在飛行器結構上得到了廣泛應用。對結構高度大的翼面結構,蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板采用蜂窩夾層結構取代

5、加勁板,能明顯減輕重量;對于結構高度小的翼面結構,如操縱面,采用全高度夾層結構代替梁肋式結構,能帶來明顯的減重效果。以復合材料層合板為面板的夾層結構,由于材料的相容性,目前普遍采用Nomex蜂窩芯子。面板膠蜂窩芯面板夾層結構LW TTWL蜂窩芯子ss圖1-1 蜂窩夾層結構示圖膠粘劑將面板和芯子膠接成整體,傳遞面板和芯子之間的載荷;芯子支持面板承垂直于面板的壓縮應力,并能防止面板發(fā)展軸壓引起的屈曲,此時芯子承受壓縮和剪切載荷。3.金屬復合層膠接結構利用膠接技術將纖維復合材料與鋁合金材料結合起來形成一種新型的結構材料纖維鋁合金復合層板膠接結構。目前這種結構件在飛機上的應用還不是很多。不久的將來,鋁

6、基復合材料可能得到較廣的應用。三、復合材料結構修理分析結構可修理是飛機結構交接使用的重要技術保障措施。沒有修理技術支持的飛機結構是無法接受的。結構修理包括:結構可修理性設計,修理方法(含修理設備和工具,修理材料的供應和儲存、修理成本等問題。目前,絕大多數(shù)的飛機上都采用了復合材料結構件。隨著飛機大修周期的到來,許多復合材料結構件的維修量也日益增加。由于國外航空業(yè)的發(fā)展比國內早幾十年,國外對復合材料結構的維修水平,維修技術比較完善,如美國波音飛機制造廠,德國漢莎技術公司,美國諾頓公司等,由于技術、資金雄厚,設備完善,對復合材料結構的修理水平相當高。雖然國外航空維修企業(yè)對復合材料結構的修理水平高于國

7、內,但是如果國內的維修水平不提高,只是依賴于國外市場,就會大大延長飛機的維修周期,增加運營成本。因此,近年來國內也陸續(xù)出現(xiàn)了一些維修企業(yè),(如北京、廣州、深圳等地 ,國內的維修企業(yè)在逐步提高自主修理水平的過程中也應充分借鑒國外的修理技術。一般蜂窩結構使用缺陷/損傷大多由外來物沖擊或惡劣環(huán)境因素造成的,形成多種多樣,不同的損傷形成應由不同的修理方法。一般修理程序為: 檢查確定損傷范圍確定修理方案實施修理恢復性能。目前蜂窩結構修理的主要問題是:1.檢查確定修理范圍,目前檢查損傷的常用方法有:(1目視檢查:查檢損傷位置,損傷面積和損傷程度;(2敲擊法:檢查和確定脫膠和分層的范圍;(3超聲法:檢查和確

8、定脫膠和分層的范圍,確定內部結構的位置;(4X射線法:檢查和確定內部結構的損傷程度,潮氣進入和污染的程度等。復合材料缺陷或損傷的類型很復雜,單靠一、兩種測技術實際上很難將全部缺陷檢測出來,因此在工程實踐中,通常采用兩種或兩種以上不同的檢測方法對缺陷與損傷進行檢測,以便互相補充和驗證。表2-1 各種檢測方法可檢的缺陷與損傷 注:l一可檢表面損傷;2可能檢測,但不可靠;3一檢測結果可靠。2.加熱固化方法:(1熱壓罐法:熱壓罐法是真空袋熱壓罐法簡稱,是飛機結構高質量復合材料構件的主要成形方法。國外多采用這種方法,由于熱壓罐的成本較高,目前國內采用本法修理的比較少,該方法配有先進的計算機控制系統(tǒng),能對

9、固化過程中的溫度,壓力及真空度進行嚴格監(jiān)控,以保證大面積金屬復合材料粘接修理的質量。 (a (b圖2-1 熱壓罐法成型工藝示圖(a 真空袋組合系統(tǒng);(b 熱壓罐固化裝置(2電熱毯法:該方法是國內外最常用的簡便方法,它同樣能對膠接工序中的固化溫度,壓力和時間進行控制,但是只適用于面積較小的結構損傷,必要時需要制作一些模具作為輔助工具。復合材料結構修理的一般要求:a.滿足結構強度,穩(wěn)定性要求,即恢復結構的承載能力,在壓剪載荷下不失穩(wěn)。b.滿足結構剛度要求(包括撓度變開,氣彈特性和載荷分布及傳遞路線等。c.滿足耐久性要求(包括疲勞、腐蝕、環(huán)境影響等諸方面。d.修理增重小,操縱面等動部件滿足質量平衡要求。e.氣動外形變化要小，即保證原結構表面光滑完整。 f.修理所用時間要短，以滿足使用需要。 g.修理費用成本要低。 根據(jù)損傷情況，以及可能提供的修理條件（修理經(jīng)驗和修理材料、設備等