民機復合材料結構適航維修與驗證創新實驗平臺建設

楊文鋒,張吉武,唐慶如

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院,四川 廣漢 618307)

民機復合材料結構適航維修與驗證創新實驗平臺建設

楊文鋒,張吉武,唐慶如

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院,四川 廣漢 618307)

纖維增強樹脂基復合材料在民機中的應用會導致各種類型的損傷,民機復合材料的適航維修是保持和恢復航空器固有可靠性與安全性的基本途徑。以民機復合材料結構適航維修與驗證創新實驗平臺建設為基礎,以科研項目為依托,從基礎理論研究及工程應用角度對民機復合材料結構適航維修與驗證創新實驗平臺建設的背景及必要性、基本框架、設備需求及其用途、協同共享機制與實施成效4個主要方面進行了闡述及說明,以期對民機復合材料維修相關的科學研究及工程應用提供有價值的借鑒與參考。

實驗平臺建設;民機復合材料;適航維修;適航驗證

1 創新實驗平臺建設的背景及必要性

1.1 建設背景

民機復合材料結構的損傷檢測與損傷評估,維修原理、方法及工藝,維修工具與設備,維修效果驗證與評估等與傳統的金屬結構亦有不同,而維修的適航審定也更加復雜。美國國家航空航天局(NASA)在上世紀90年代指出,阻礙復合材料在飛行器上進一步擴大應用的主要障礙之一是復合材料的維修問題[1]。美國商用飛機復合材料修理委員會(CACRC)于2007年也認為,有關民機復合材料維修的很多關鍵問題多年來仍沒有得到全面徹底解決[2]。因此,復合材料在民機(包括商用飛機和通用飛機)中的大量使用直接導致當前對高效可靠的復合材料結構先進維修技術及維修基礎理論的迫切需求。有鑒于此,以歐美為代表的航空發達國家在航空器上大量采用復合材料結構的同時,也在不斷探索和深入研究復合材料結構的無損檢測及維修方法、工藝、設備、驗證、適航審定的相關基礎理論與關鍵技術[3],并以之為基礎,形成飛機復合材料結構維修大綱、方案、技術標準和法規。

我國現役民機普遍由空客及波音等國外航空公司制造,并由制造廠家制訂復合材料結構維修標準和維修方案,其核心技術長期被國外航空發達國家壟斷[4]。在民機復合材料結構維修方面,中國民航尚停留在嚴格按國外航空器生產廠家制訂的飛機修理手冊、結構修理手冊及部件修理手冊等技術資料進行維修操作及適航放行的應用層面。雖然在民機復合材料維修領域已經積累了一定的工程實踐經驗,但對于制訂民機復合材料結構維修標準、維修方案的基礎理論缺乏系統研究,核心技術儲備嚴重不足。

1.2 必要性分析

面對目前我國民航機型種類及數量快速、持續增長的行業態勢,以及國產大飛機研制中可維修性設計和未來的航線運營對復合材料結構維修的切實需求,開展民機復合材料結構維修相關基礎理論及關鍵技術的研究,攻克復合材料維修所涉及的關鍵、共性基礎問題,對突破國外技術壟斷,推動我國民機復合材料維修技術的發展和快速提升,促進我國民機復合材料維修體系的科學化、標準化建設具有重大的戰略意義。

因此,有必要建立民機復合材料結構適航維修與驗證創新實驗平臺(以下簡稱創新實驗平臺)。在創新實驗平臺方案建設、相關制備、測試、表征儀器設備置備的基礎上,開展與民機復合材料維修相關的損傷檢測與評估、維修實施與測試表征、維修驗證與適航審定相關的研究與實踐,以便獲得相關的基礎理論與關鍵技術成果,并以此指導實際工程應用。

2 創新實驗平臺的基本框架

民機復合材料結構維修實際上是一個復合材料結構“再設計、再制造、再測試、再審定”的過程。根據民機復合材料維修所涉及的整個技術流程,典型的維修流程可劃分為維修前提、維修核心與合格性鑒定3個主要部分,如圖1所示。

圖1 民機復合材料結構維修典型流程

民機復合材料結構維修的前提主要包括損傷檢測和損傷評估;維修的核心和關鍵包括維修設計、維修實施和維修驗證;合格性鑒定指維修后的適航驗證與審定。

創新實驗平臺的基本框架即是依據典型維修流程進行劃分,每個框架模塊主要面向特定方向的基礎研究或工程應用研究。創新實驗平臺所包括的實驗內容框架包含以下幾個方面。

2.1 無損檢測技術及便攜式檢測工具的開發

民機復合材料結構在使用過程中的各種損傷的檢測,除了依據肉眼判斷及簡單敲擊等方法外,多數依賴于有效的無損檢測工具。無損檢測技術的研究、無損檢測圖像的解譯、便攜式檢測工具的開發可以顯著提高無損檢測效果及效率。根據無損檢測的原理,民機復合材料無損檢測的類型主要包括X射線、超聲探傷、紅外熱成像及渦流探傷設備[5]。對民機復合材料結構的無損檢測關鍵要考慮各種探傷原理的適用性、局限性、有效性和效率、以及探傷影像與復合材料實際損傷類型與損傷程度的內在關聯性,以便從外在結果即可準確判斷損傷、評估損傷,為復合材料適航維修提供重要的依據。

2.2 民機復合材料維修設計與分析

經實驗驗證的維修方案設計與分析是保證維修后的民機復合材料結構能夠成功恢復適航狀態的關鍵,建立包含結構細節特征的高精度、參數化維修設計分析模型,并且在分析中采用真實維修工藝條件下的材料和界面性能參數是保證維修設計高精度、高可靠性的關鍵,對于提升維修設計的效率、降低實際維修成本具有重要的工程價值。通過力學性能測試對復合材料的諸多力學參數進行表征是復合材料維修設計與分析的基礎,并以此作為維修設計與分析的輸入參數或邊界條件。力學參數的表征涉及不同噸位的力學測試系統及其相應的標準夾具、靜/動態應變儀。

2.3 民機復合材料維修固化行為及監測

復合材料維修固化是維修實施與完成的必要程序,外場維修一般采用烤燈或微波加熱的方式,而室內完成固化過程為離位修理,主要設備是真空袋熱補儀。民機復合材料結構適航維修與驗證創新實驗平臺可針對性地開展復合材料維修固化動力學與固化模擬方面的研究。研究維修條件下復合材料固化行為,探明固化過程中材料微觀結構(微觀形態、化學結構、凝聚態結構等)與宏觀力學性能(強度、剛度)的關聯機制,澄清“維修工藝—微觀結構—材料性能”的演變規律,對于保證和提高維修質量具有重要的工程意義。

2.4 維修界面粘接及其機理

維修界面對航空復合材料維修效果的影響極為重要,界面粘接得好壞幾乎決定了最終的維修質量。然而,由于維修界面的表征主要偏向微觀層面,而且涉及界面粘接的機理研究。因此,界面的研究很大程度上依賴于微觀測試與表征的儀器設備。針對復合材料維修結構中的新老膠接界面及共固化界面,在深入剖析界面微區的形貌結構特征、物理/化學環境及微區力學行為的基礎上,結合界面膠接理論研究維修新老界面的界面結合機理,建立界面微區的細節分析模型,從界面微區的本征性能角度研究界面微觀力學行為對界面宏觀力學性能的內在影響規律,實現對維修參數的指導與優化。界面區域微觀結構的表征主要涉及表面與界面微觀結構、微區力學、界面化學結構信息及能量與電荷信息的測試分析。

2.5 維修驗證與適航審定

根據適航規章、咨詢通告及相關技術條款要求,將分析計算結果、試驗計劃、維修實施過程及維修效果驗證(主要采用分析計算方法(MC2)、實驗室試驗和臺架試驗(MC4)等方法對復合材料維修效果進行技術驗證)等數據及文件報適航當局審定,并對具體技術細節進行解釋,協助完成民機復合材料結構損傷維修的適航符合性驗證與審定。

2.6 教學輔助

目前高校中教學實驗與科研實驗結合得越來越緊密[6-8],我校的創新實驗平臺也同時兼顧飛機結構與強度、材料力學、飛機結構疲勞強度與維修、復合材料力學、結構力學、航空材料與腐蝕等課程的演示教學及本科生論文的實驗。實驗室的材料力學測試與表征儀器可開展金屬材料及復合材料力學性能實驗、零部件和小型結構的靜強度、疲勞、振動與環境實驗。

針對民機復合材料維修與驗證所涉及的主要技術流程與工程應用需求,結合項目需求及重點實驗室建設,依托創新實驗平臺目前正在開展的工作,可滿足典型維修流程所涉及的幾乎所有基礎理論與關鍵技術研究與工程應用需求。

3 創新實驗平臺的設備需求及其用途

根據創新實驗平臺框架,創新實驗平臺將從材料制備與加工、實驗室改造、材料與部件處理、理化測試與表征、力學性能測試與表征、材料無損檢測6個方面提出對設備、儀器的具體需求,并明確其用途。各類儀器設備的分類、名稱及用途的說明見表1。

表1 航空復合材料實驗室設備需求

4 創新實驗平臺建設的協同共享機制與實施成效

4.1 協同共享機制

我校成立的創新實驗平臺主要面向科研項目的研究工作,并輔助實驗教學。創新實驗平臺的研究成果可為工程應用提供重要的基礎理論支撐,但其工程應用應緊密結合企業與科研院所[9-12]。因此,結合我校民機復合材料維修協同創新中心以及科技部重點領域創新團隊的申報,我校創新實驗平臺已與行業內兩所高等院校、兩所研究機構、兩家企業單位建立協同共享機制,圍繞行業需求,力求打造一個新型的工程、科研、教學一體的研究平臺。研究中心以民機復合材料維修應用技術及理論研究為基礎,探索民機復合材料快速、低成本及環境友好的維修新技術。面向我國民航行業需求,尤其針對國產民機復合材料及各通用飛機復合材料的超手冊維修,開發及編寫適用的結構維修手冊及相應的適航驗證標準,以支持和引領我國民航行業與產業的發展。

4.2 實施成效

創新實驗平臺通過機制和體制改革,匯聚了一批國內從事復合材料及其維修相關的優秀人才,形成了能夠解決復合材料維修與驗證、適航審定相關問題的創新團隊;實現了人員合理流動,跨學校和跨領域的團隊協同能力明顯增強;提高了人才培養質量,培養了一批能夠從事復合材料維修研究的人才;承擔了國家、地方的重大研發任務,有序推進了民航維修事業和產業的發展;改革了管理體制和運行機制,初步實現了平臺、基地的共享及人才、設備、成果、信息等資源的整合。

創新實驗平臺自建設以來取得了一定成果。創新實驗平臺的科研團隊通過交叉融合,獲得國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上項目、省部級重大專項等項目的資助;獲得主管部級機構及所在學校的實驗平臺建設資金資助。在各參與單位的大力支持下,在國家和省部級項目、橫向項目和學科建設的支持下,圍繞著擬定的科學創新任務等開展前沿科學與工程應用研究,目前運行狀況良好。

5 結束語

面對我國在復合材料維修領域基礎理論與關鍵技術儲備不足,工程應用知其然而不知其所以然的現狀,有必要且急需構建復合材料維修領域的基礎理論與技術，以作為復合材料維修工程實踐的基礎與支撐。創新實驗平臺的建設正是前瞻性地應對這一現實需求的成果。創新實驗平臺為民機復合材料維修的理論研究與工程應用研究提供重要的條件。

References)

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Construction of innovative experiment platform for airworthy repair and verification of civil aircraft composite structure

Yang Wenfeng,Zhang Jiwu,Tang Qingru

(Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Various types of damage have been generated from the application of fiber reinforced resin matrix composite in civil aircraft. The relative airworthy repairs have been adopted to keep and restore the intrinsic reliability and safety. From the points of fundamental theories and engineering application,combining research projects,this paper illustrates the following 4 aspects of innovative experiment platform construction on airworthy repair and verification of civil aircraft composite structure: the background and necessity,the primary frames,the equipment requirements and purpose,and the collaboration and share mechanism and performance. This paper aims to contribute valuable references for scientific research and engineering application in the field of civil aircraft composite repairs.

construction of experimental platform;civil aircraft composite;airworthy repair;airworthy verification

2014- 05- 30

國家自然科學基金項目(NSFC);民航聯合基金重點項目(U1233202、U1333201)；民航局科技項目重大專項(MHRD201240)

楊文鋒(1979—)，男，湖北孝感，博士，副教授，主要從事復合材料維修、航空安全與適航管理的教學與科研.

E-mail：ywfcyy@163.com

V267;TB332

A

1002-4956(2015)1- 0104- 04