民用飛機結(jié)構(gòu)再制造工程概論

范耀宇

【摘 要】闡述再制造工程現(xiàn)狀、典型工藝，并從頂層規(guī)劃了民機結(jié)構(gòu)再制造工程研究思路、總體框架和關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；結(jié)構(gòu)；再制造；超聲噴丸；激光沖擊；疲勞；損傷容限

【Abstract】This article states the status of re-manufacture， typical re-manufacture process. It is also planning the method， outline and critical issues of civil airplane structure re-manufacture program from the top level.

【Key words】Civil airplane； Structure； Re-manufacture； Ultrasonic peening； Laser shock peening； Fatigue； Damage-tolerance

0 引言

再制造工程是以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)，以廢舊產(chǎn)品實現(xiàn)跨越式發(fā)展為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱，簡言之，再制造工程是廢舊產(chǎn)品高科技維修的產(chǎn)業(yè)化。

國際上，歐美等發(fā)達國家的再制造已深入到汽車、工程機械、工業(yè)設(shè)備、航空結(jié)構(gòu)、國防裝備、電子電器等各個領(lǐng)域，已形成以“換件和尺寸修理”為特征的較為完善的技術(shù)體系，如美軍完成了750架阿帕奇直升機的再制造，歐美每年都有大量各類民機結(jié)構(gòu)件通過再制造工程進行損傷修復(fù)。

國內(nèi)，再制造工程主要應(yīng)用于汽車、電子工程等領(lǐng)域，民用飛機領(lǐng)域未有深入涉及，而我國民航的維修市場總量較為龐大，據(jù)統(tǒng)計，2010年已經(jīng)達到23.2億美元，到2015年我國民航運輸總周轉(zhuǎn)量增至800～900億噸公里，相應(yīng)的維修工作量將比2010年增加70%～100%，開展民機再制造工程將具有巨大經(jīng)濟效益，是我國綠色、可持續(xù)民機產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

同時，隨著國家大力發(fā)展自主研制的民機產(chǎn)業(yè)和重點型號研制不斷取得突破，特別是ARJ21-700飛機已成功取得中國民航適航證，進入交付使用階段，使得國內(nèi)相關(guān)研制單位具有開展民機再制造工程研究的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟動力。

1 再制造工藝

據(jù)統(tǒng)計，80%以上民機結(jié)構(gòu)失效事故起因于結(jié)構(gòu)表面意外損傷（如刮傷、凹坑、穿孔和/或分層等）和加工缺陷（如刀痕、劃傷及露于表面的冶金缺陷等），民機結(jié)構(gòu)再制造主要目的是通過表面強化工藝修復(fù)結(jié)構(gòu)件的疲勞性能，在種類繁多的各類再制造表面強化工藝中，以超聲噴丸和激光沖擊最具有應(yīng)用前景。

1.1 超聲噴丸

超聲噴丸是一種利用由超聲波轉(zhuǎn)化來的機械振動沖擊載荷作用于金屬材料表面，以實現(xiàn)強化的工藝技術(shù)。

超聲噴丸強化系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、振動工具頭和噴丸室等部分組成，如圖2。

2007年，C.A. Rodopoulos等人對比了數(shù)控噴丸、激光沖擊和超聲噴丸（工具頭為撞針）三種方式對2024-T351鋁合金疲勞壽命的改善效果，表明超聲噴丸能在材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、顯著改善構(gòu)件疲勞性能，如圖3。

1.2 激光沖擊

激光沖擊強化（ Laser shock processing/Peening）是利用高功率密度（大于109/cm2）、短脈沖的強激光誘導(dǎo)的高壓沖擊波對材料表面實施改性的一種技術(shù)。

激光沖擊過程為高功率密度（GW/cm2量級）、短脈沖（ ns量級）的強激光穿過透明約束層沖擊金屬靶材，吸收層充分吸收高能激光的能量，在極短時間內(nèi)汽化電離、形成一個高溫高壓的等離子體層，等離子體膨脹受到約束層限制、壓力進一步提升，當(dāng)沖擊波峰值壓力值大于材料的動態(tài)屈服強度時，金屬靶材強化區(qū)域的材料發(fā)生動態(tài)屈服和塑性變形，產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，同時產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)，從而達到改善材料強度、耐磨性、耐腐蝕性和提高疲勞壽命的目的，如圖4。

2 民機結(jié)構(gòu)再制造工程研究框架

2.1 總體研究思路

當(dāng)前階段，國內(nèi)民用飛機結(jié)構(gòu)再制造工程應(yīng)以再制造工藝研究為核心、結(jié)合民機結(jié)構(gòu)特征，建立有效的再制造工藝數(shù)值分析方法、并修正已有的民機結(jié)構(gòu)疲勞/損傷容限分析方法，為后續(xù)民機結(jié)構(gòu)再制造工程適航符合性驗證積累數(shù)據(jù)、夯實基礎(chǔ)，故總體研究框架如圖5，總體研究思路如下：

1）根據(jù)已有理論和工程表面強化機理，形成再制造工藝數(shù)值分析方法，建立工藝參數(shù)的數(shù)值模型，優(yōu)選出參數(shù)組合，并用大量的疲勞和損傷容限試驗加以驗證；

2）統(tǒng)計民機結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位裂紋特征，結(jié)合再制造工藝機理，基于斷裂力學(xué)理論和試驗數(shù)據(jù)，形成構(gòu)件實施再制造工藝后表面裂紋產(chǎn)生/擴展機理數(shù)值分析方法，同時制定適合工程運用的結(jié)構(gòu)再制造工程疲勞/損傷容限評估方法；

3）基于民機結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)形式和布置，從結(jié)構(gòu)分解可行性、安全性及經(jīng)濟性等角度出發(fā)，結(jié)合再制造工藝操縱空間、設(shè)備廠房等實施要求和航空公司營運保障體系特征，形成民機結(jié)構(gòu)再制造工程實施指南。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

民機結(jié)構(gòu)再制造工程主要關(guān)鍵技術(shù)有：

1）典型結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位裂紋特性研究

根據(jù)型號研發(fā)階段的疲勞試驗、分析和綜合航空公司營運數(shù)據(jù)，通過目視檢測、CT掃描和X光檢測等無損檢測技術(shù)手段，將典型結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位缺陷和損傷類型及裂紋尺寸進行統(tǒng)計分析，形成民機結(jié)構(gòu)疲勞損傷統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。

2）再制造工藝參數(shù)數(shù)值仿真模型研究

建立典型再制造工藝數(shù)值模型，數(shù)值化各工藝參數(shù)，測定材料本構(gòu)方程參數(shù)，根據(jù)接觸力學(xué)等理論，建立再制造工藝的構(gòu)件表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、組織變化、硬度等表面特性/亞表面特性的數(shù)值分析方法。

3）再制造工藝試驗驗證及疲勞/損傷容限性能測定

針對典型再制造工藝，在工藝參數(shù)數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)選參數(shù)組合，結(jié)合結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位裂紋特征，對于不同材料、不同類裂紋模式的構(gòu)型組合進行材料級或零件/組件級的疲勞和損傷容限特性試驗、測定相關(guān)性能數(shù)據(jù)。

4）再制造工藝疲勞/損傷容限評估方法研究

根據(jù)彈塑性理論和工程力學(xué)方法，基于再制造工藝數(shù)值分析和試驗數(shù)據(jù)，發(fā)展典型結(jié)構(gòu)再制造工藝裂紋擴展仿真技術(shù)，修訂成熟的典型結(jié)構(gòu)疲勞/損傷容限評定技術(shù)，形成再制造構(gòu)件疲勞/損傷容限評估方法。

3 結(jié)束語

2003年8月，科技部和中國工程院在論證制定我國2020年中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃第三專題《制造業(yè)發(fā)展科學(xué)問題研究》時，將“機械裝備的自修復(fù)與再制造”列為19項關(guān)鍵技術(shù)之一，經(jīng)過十多年的發(fā)展，當(dāng)前，初步具備了將再制造技術(shù)引入民用飛機領(lǐng)域的基礎(chǔ)。本文所闡述的再制造工程現(xiàn)狀、典型工藝、民機結(jié)構(gòu)再制造工程研究思路、總體框架和關(guān)鍵技術(shù)的頂層規(guī)劃，可為國內(nèi)民機結(jié)構(gòu)再制造工程實施指明方向。后續(xù)，民機結(jié)構(gòu)再制造工程需進一步研究再制造的適航符合性，特別是對于具有廣布疲勞特征結(jié)構(gòu)的再制造適航安全性工作。

【參考文獻】

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[責(zé)任編輯：湯靜]