復合材料方向舵結構維修技術研究

丁梅

摘要：本文論述了某型民用飛機方向舵復合材料結構在研制設計過程中應遵循的維修性設計目標，使維修性設計目標在方向舵復合材料結構設計時得以保證。詳細說明了方向舵復合材料結構在生產使用過程中出現的常見損傷類型及修理方法。

關鍵詞：方向舵;復合材料;結構維修

引言

隨著復合材料加工和生產技術的飛速發展，復合材料在民用飛機上的用量已經大幅度增長。波音787采用了全復合材料機身，其機翼、短艙及內飾也使用了大量的復合材料。空客A350XWB飛機上復合材料的用量高達53%。

伴隨著復合材料在新型飛機上的廣泛應用，其維護和修理問題變得更加突出。復合材料結構修理技術已經成為飛機復合材料結構研制與維護中的一項關鍵技術。本文結合結構維修性設計目標，針對某型飛機方向舵復合材料在生產制造過程中出現的損傷，對復合材料常見的修理方法進行介紹。

1.方向舵結構概述

某型民用飛機方向舵采用“單梁+復合材料夾層結構蒙皮+少肋”的結構形式，沿方向舵鉸鏈軸線共布置7個鉸鏈點和3個操縱點，翼尖罩用于維持方向舵上端氣動外形。利用夾層結構的剛度、強度優勢，極大地減少了肋的數目，降低了結構重量及制造成本。

壁板采用碳纖維面板加蜂窩的夾層結構形式。梁使用復合材料制造，截面為“C”形;為提高梁腹板的剛度，在鉸鏈接頭和操縱接頭的對應區域使用了三塊蜂窩分別進行加強。在上下端面、作動器接頭和鉸鏈接頭對應位置分別布置6個肋，上端肋為鋁合金機加件，截面為I型;其余肋均采用碳纖維復合材料蜂窩夾層結構，截面均為C形。翼尖罩曲面外形較復雜，選用玻璃纖維制造。

2.結構維修性設計目標

維修性是決定民用飛機維修品質的關鍵因素，對飛機的可靠度、利用率及經濟性等具有決定性作用。維修性設計的目標是保證設計、研制和生產的飛機滿足規定的適航要求，提高飛機的簽派可靠度，減少對飛機人力及其他資源的要求，降低運營成本，使飛機具有良好的經濟性和市場競爭力。

2.1為系統、設備提供良好的維修條件

飛機的維修性主要反映在飛機的各個系統上，如操作系統、燃油系統、電氣系統、發動機系統等。為這些系統、設備提供良好的維修條件是飛機結構維修性的一個重要內容。

2.2提高結構本身的維修性

機體結構本身需要正常維護和修理。日常維護包括一些活動部件的間隙檢查、磨損檢查和更換。機體結構在規定的維修間隔時間內，不應當出現損傷，或者僅僅出現不影響飛行任務的故障。

2.3縮短維修停飛時間

盡量采用無維修和很少需要預防性維修的設計。

飛機機體結構設計時，所采用的材料、工藝應從使用部門的維修能力和實際條件出發，以便于減少維修時間。

2.4降低維修費用

飛機在運營過程中，在一般技術水平的維護人員操作下，減少每飛行小時的維修工時，提高維修效率，延長飛機結構的使用壽命，使飛機結構的直接維修費用低于或等于同類型飛機的相應指標。

3.方向舵復材結構的損傷類型

某型飛機方向舵復合材料主要以碳纖維-蜂窩夾芯板結構為主，產生損傷最主要的原因是沖擊損傷，常見損傷如下：

（1）分層和脫膠。分層是復合材料層壓板結構的層與層之間出現的分離破壞。分層主要是飛機遭受外來物撞擊或受載荷作用而引起的。分層可能發生在復合材料結構件的內部、邊緣以及孔周邊。脫膠通常是指夾層板面板與蜂窩夾芯的粘結面由于受潮、進水以及外物碰撞、沖擊或者受力過大等原因而出現的分離破壞。

（2）凹坑。凹坑是指受外物撞擊后復合材料構件表面出現的凹陷破壞，通常內部伴隨有分層或脫膠。

（3）外物完全穿透復合材料面板，形成空洞，通常是由尖銳物體沖擊而成。

（4）擦傷。由于碰撞、摩擦或刮劃而引起的劃傷、刻痕、刮痕等表面損傷。擦傷使構件表面粗糙、表面材料缺失。

（5）裂紋。復合材料結構件受交變載荷的作用，在基體樹脂材料中出現的裂紋。

（6）燒傷。復合材料遭遇明火或雷擊而引起的燒傷、燒蝕損傷。

（7）夾芯損傷。夾芯損傷是指夾芯結構受到外物撞擊所引起的夾芯壓癟或夾芯中進水而引起的腐蝕等損傷。

4.方向舵復材的修理方案

目前現有飛機復合材料的結構修理方案，均考慮不同結構部位、不同缺陷/損傷類型和不同的損傷程度。修理方案設計中常用的修理方法有機械修理方法、貼補法和挖補法。

4.1機械連接修理

機械連接修理，它是在損傷結構的外部用螺栓或鉚釘固定外部補片，使損傷結構遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復的一種修理方法。連接方法大多采用螺栓連接，亦可采用鉚釘連接，尤其是單面鉚接。由于復合材料具有脆性及各向異性的屬性，螺栓孔或鉚釘孔邊會產生應力集中，導致抗疲勞性能不佳。根據設計的需要，補片可以是半平頭的或者雙搭接式的。當采用鋁合金等金屬補片時，應注意電化學腐蝕問題。補片及緊固件應涂以密封劑進行濕裝配。

4.2膠接修理法

膠接修理方法通常比機械連接修理更加可靠，不會產生孔而導致應力集中。膠接修理又分為膠接貼補修理和膠接挖補修理。

4.2.1膠接貼補修理

膠接貼補修理方法適用于外場修理，多用于平面形制件，板厚較薄、載荷不大、氣動外形要求不高的結構，用膠接的方法將補片貼于復合材料制件的缺陷或損傷部位。在飛機表面膠接貼補修理時，為了使連接處截面變化較為緩和，補片四周一般做成斜削的形狀。膠粘劑選擇時應滿足剪切強度和剝離強度的要求。

4.2.2膠接挖補修理方法

對受沖擊損傷的復合材料層合板和蜂窩結構挖補修理是一種非常有效的修理方法，可以最大限度的恢復結構的強度。這種修理方法可以得到光滑的氣動力表面。修理方法是挖去損傷或缺陷的部位，留下一個具有錐度的孔，先對層合板進行干燥處理，然后再用復合材料補片通過膠接的方法將其修補完整。補片應設計并切成與孔相匹配，可以預先固化后粘結或損傷區域共固化。共固化的補片一般強度更高。方向舵層合板結構和蜂窩夾芯結構填補時均可采用階梯挖補和楔形挖補法。

5.結束語

復合材料在飛機結構上的大規模應用，迫使使用維護人員去研究復合材料的使用及維護特性，并利用先進的技術設備及時檢測出復合材料構件的損傷和缺陷，做出準確評估進而實施合理的維修。這對于保證構件的完好狀態以及飛行安全具有至關重要的意義。

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（作者單位：中航復合材料有限責任公司）