復(fù)合材料制造技術(shù)在民航維修工程領(lǐng)域中的引入和應(yīng)用

高賽 胡詩(shī)奇 邱運(yùn)朋 胡洋嘉 馬曉東

1相關(guān)背景

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料深度維修技術(shù)起步于2010年前后，主要集中在民用航空領(lǐng)域，以發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、雷達(dá)罩、艙門、舵面為重點(diǎn)，一方面需要依賴歐美國(guó)家技術(shù)、工藝和人才的輸入，另一方面采用了較多的逆向工程技術(shù)手段，總體上呈現(xiàn)出高度的依賴性和繼承性，創(chuàng)新意識(shí)淡薄，借鑒痕跡明顯，產(chǎn)品性能、壽命難以達(dá)到OEM水準(zhǔn)，不能充分理解設(shè)計(jì)邏輯，未能形成穩(wěn)定的戰(zhàn)略方向和清晰的產(chǎn)品線規(guī)劃，未能鍛煉出經(jīng)驗(yàn)豐富、儲(chǔ)備充足的核心開(kāi)發(fā)人員。相比于美歐國(guó)家復(fù)合材料制造產(chǎn)業(yè)與復(fù)合材料維修產(chǎn)業(yè)的共棲共生、互惠互利、合作共贏的良好密切關(guān)系，國(guó)內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)并未能充分交流和相互合作，制造廠商對(duì)維修理念一知半解，維修廠商對(duì)制造技術(shù)知之甚少。

因此，為增進(jìn)互相了解、互相支持，希望將復(fù)合材料制造技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)維修的工程領(lǐng)域中來(lái)，以MRO工廠廠房為實(shí)施應(yīng)用主體，以生產(chǎn)工藝參數(shù)、連接強(qiáng)度計(jì)算法則、材料許用值設(shè)計(jì)、性能測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)、鋪層設(shè)計(jì)的原則和方法、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、環(huán)境損傷影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、模具技術(shù)為基礎(chǔ)出發(fā)點(diǎn)，以共固化/共膠接為核心的整體成型技術(shù)、新型罐外成型技術(shù)、厚板固化及其變形控制等成熟的復(fù)合材料制造技術(shù)為共同結(jié)合點(diǎn)。以制造技術(shù)促進(jìn)維修產(chǎn)業(yè)的成熟和正向發(fā)展，充分消化和理解空客、波音等先進(jìn)民用飛機(jī)的復(fù)合材料制造理念，并反哺和優(yōu)化國(guó)內(nèi)的相關(guān)制造技術(shù)，以較低的學(xué)習(xí)成本、時(shí)間成本、物料成本獲得兩者的共同促進(jìn)，最終保障好國(guó)內(nèi)機(jī)隊(duì)的良好運(yùn)營(yíng)，減少送修成本，給國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料零部件提供良好的維修工藝場(chǎng)景支持和可維修設(shè)計(jì)理念支持。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

2.1航空器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用快速發(fā)展

廣泛應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料已成為大型客機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。以碳纖維增強(qiáng)樹脂為代表的先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度，可剪裁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)整體成型等優(yōu)勢(shì)，可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重10%～40%、降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本15%～30%，因此在新型飛機(jī)上的使用量大幅提高，應(yīng)用范圍也拓展到了主承力結(jié)構(gòu)。

以傳統(tǒng)民機(jī)為例，盡管本體部件很少應(yīng)用復(fù)合材料，但在其短艙構(gòu)造中大量采用纖維—樹脂復(fù)合材料和含鋁蒙皮—鋁蜂窩構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)（后者在維修領(lǐng)域也被視為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的一種）。如短艙前環(huán)有消音蒙皮和鋁蜂窩粘接而成的消音板，以及碳纖維層板結(jié)構(gòu)的外側(cè)蒙皮。而風(fēng)扇罩主要是碳纖維層板結(jié)構(gòu)的蒙皮，以及碳纖維和蜂窩粘接而成的隔框支撐等。反推部分中，C涵道固定結(jié)構(gòu)主要是鋁蒙皮—鋁蜂窩的夾心結(jié)構(gòu)，平移門外部由碳纖維層板粘接結(jié)構(gòu)的外側(cè)蒙皮和鋁蜂窩隔框組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，平移門內(nèi)部是有孔消音鋁蒙皮和鋁蜂窩粘接而成的內(nèi)消音板。反推格柵是碳纖維粘接而成的層板結(jié)構(gòu)。

2.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的重要性日益增強(qiáng)

復(fù)合材料部件在制造及航空器運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷或損傷，給飛行安全帶來(lái)隱患。隨著復(fù)合材料制造水平的不斷提高，復(fù)合材料部件逐漸在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上取得普遍應(yīng)用，給民航維修業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

隨著以波音787和空客A350為代表的“全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”飛機(jī)的服役，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修已成為制約飛機(jī)運(yùn)行保障的新的環(huán)節(jié)和要素。飛機(jī)操縱面和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等構(gòu)造發(fā)生復(fù)合材料部件損傷時(shí)同樣讓飛機(jī)處于AOG狀態(tài)，而且復(fù)合材料修理周期要遠(yuǎn)超過(guò)系統(tǒng)航線更換件的周期，高昂的維修和停場(chǎng)成本讓航空公司苦不堪言。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修能力已成為所有航空公司和MRO結(jié)構(gòu)維修的核心競(jìng)爭(zhēng)力。以獲得全面自主的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修能力為目標(biāo)，一場(chǎng)從科技研發(fā)到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全球競(jìng)賽正如火如荼鋪開(kāi)。

2.3國(guó)內(nèi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修能力不足

國(guó)際上以漢莎為代表的維修企業(yè)，通過(guò)與OEM及其關(guān)聯(lián)研究機(jī)構(gòu)的深度合作，已率先形成全面的維修能力，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修范圍廣，深度維修比例大，業(yè)務(wù)附加值高。隨著國(guó)內(nèi)航空維修市場(chǎng)的持續(xù)開(kāi)放，這些國(guó)際標(biāo)桿廠商紛紛在國(guó)內(nèi)建廠（如深圳漢莎），借中國(guó)民航規(guī)模不斷壯大的東風(fēng)，快速占領(lǐng)市場(chǎng)，獲得了可觀的利益。

反觀國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料修理技術(shù)的研究，以及標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的發(fā)展，無(wú)論是與國(guó)外同領(lǐng)域相比，還是與制造領(lǐng)域相比，都嚴(yán)重滯后。以發(fā)動(dòng)機(jī)短艙為例，其翻修技術(shù)在國(guó)內(nèi)航空維修領(lǐng)域長(zhǎng)期處于空白。沒(méi)有自主能力，特別是缺乏超范圍損傷的維修方案設(shè)計(jì)、工藝實(shí)施，以及性能評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制能力，只能依賴送修。這使國(guó)內(nèi)民航企業(yè)在維修價(jià)格和維修周期上毫無(wú)話語(yǔ)權(quán)，不僅要支付巨額的維修費(fèi)用，還需承擔(dān)漫長(zhǎng)的維修周期和龐大的備件規(guī)模帶來(lái)的間接成本。

生產(chǎn)與維修產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，有助于促進(jìn)中國(guó)航空工業(yè)復(fù)合材料維修基礎(chǔ)能力和技術(shù)體系的建立，對(duì)處于關(guān)鍵上升期的中國(guó)航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)具有戰(zhàn)略意義，更將為廣泛應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目和大型航發(fā)項(xiàng)目提供充分的技術(shù)支持和經(jīng)驗(yàn)積累。

此外，產(chǎn)業(yè)結(jié)合還可以通過(guò)聯(lián)合開(kāi)發(fā)或配套生產(chǎn)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，民航維修單位與軍工企業(yè)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，深度融合，提高重大裝備的保障水平和運(yùn)行安全，提升效率，節(jié)約維修成本，促進(jìn)軍工產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)軍民融合合作共贏，推動(dòng)國(guó)防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)良性互動(dòng)。

3 研發(fā)建議

3.1技術(shù)路徑

在維修企業(yè)中開(kāi)設(shè)復(fù)合材料維修技術(shù)交流平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，一方面，與政府部門保持深度溝通交流，以獲取政策資金支持；另一方面，與OEM或一流廠商開(kāi)展深層次合作，共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，合作開(kāi)發(fā)，適時(shí)視需地以自身市場(chǎng)地位換取關(guān)鍵維修技術(shù)轉(zhuǎn)讓，以實(shí)現(xiàn)工藝革新，提高自身的產(chǎn)業(yè)地位和話語(yǔ)權(quán)；再一方面，與商飛、軍工企業(yè)、科研院所組建技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，以軍民融合戰(zhàn)略/國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目為切入點(diǎn)，緊密圍繞中國(guó)航空維修業(yè)的政策法規(guī)、發(fā)展方向、管理理念和復(fù)合材料維修的先進(jìn)方法、前沿技術(shù)理念、創(chuàng)新服務(wù)模式等展開(kāi)工作。

3.2技術(shù)引入方案要點(diǎn)

1）創(chuàng)建完善的復(fù)合材料損傷機(jī)理分析理論

開(kāi)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的統(tǒng)計(jì)與分析、結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估方法的適用性分析與驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)維修技術(shù)的適用性分析、結(jié)構(gòu)維修技術(shù)、維修實(shí)施工藝和維修有效性驗(yàn)證試驗(yàn)等內(nèi)容研究，建立結(jié)構(gòu)損傷的分類方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將外力載荷、環(huán)境工況、風(fēng)熱燒蝕、應(yīng)力腐蝕、高溫蠕變等損傷因素進(jìn)行規(guī)范地量化和統(tǒng)一，從根本上完善復(fù)合材料的損傷機(jī)理，創(chuàng)建復(fù)合材料損傷模型數(shù)據(jù)庫(kù)，為損傷去除和強(qiáng)度恢復(fù)提供理論依據(jù)。

2）開(kāi)辟?gòu)?fù)合材料維修有限元仿真新思路

通過(guò)對(duì)不同高級(jí)復(fù)合材料部件維修結(jié)構(gòu)的有限元仿真測(cè)算，探索飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在實(shí)際服役環(huán)境中所受約束條件、臨界強(qiáng)度等參數(shù)，為更多不同的維修方案提供理論支撐，進(jìn)而可繼續(xù)優(yōu)化維修鋪層結(jié)構(gòu)，建立大量維修方案模型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)損傷精確識(shí)別，維修方案快速設(shè)計(jì)的效率機(jī)制。

3）創(chuàng)建復(fù)合材料維修工藝標(biāo)準(zhǔn)/技術(shù)方案規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)總結(jié)典型復(fù)合材料部件翻修/再造的經(jīng)驗(yàn)，并深度結(jié)合損傷及維修理論，自主研發(fā)出一套針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的維修工藝，深度細(xì)化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、損傷去除手段、粘接維修程序、模具成型技巧、熱壓成型工法在維修方案中的應(yīng)用，建立復(fù)合材料維修工藝/維修方案數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用CATIA軟件加以立體描繪，簡(jiǎn)明直觀地展示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)損傷精確識(shí)別和維修方案的快速設(shè)計(jì)，以期節(jié)約工時(shí)、減少航材儲(chǔ)備、解決實(shí)踐中的技術(shù)困難，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

4）創(chuàng)建國(guó)產(chǎn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)

開(kāi)展民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)開(kāi)發(fā)的總體規(guī)劃研究，包括適航規(guī)章對(duì)結(jié)構(gòu)維修方案及維修手冊(cè)的要求和結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)的內(nèi)容完整性要求分析、結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)開(kāi)發(fā)的工作規(guī)劃和任務(wù)分工、手冊(cè)開(kāi)發(fā)的支持條件分析、手冊(cè)的編制方法要求和編制流程等。以民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和持續(xù)適航為目標(biāo)，建立國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修方案開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)編制流程與方法，提高結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)的可用性，提升結(jié)構(gòu)維修支持能力。

4 總結(jié)

隨著復(fù)合材料在民航領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)維修的重要性日益增強(qiáng)。本文結(jié)合我國(guó)復(fù)合材料維修能力的現(xiàn)狀，提出了將復(fù)合材料制造技術(shù)引入到民航維修工程領(lǐng)域的設(shè)想以及研發(fā)建議，以期兩者共同促進(jìn)，對(duì)保障國(guó)內(nèi)機(jī)隊(duì)的良好運(yùn)營(yíng)、提高民航復(fù)合材料維修業(yè)的技術(shù)實(shí)力以及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有深遠(yuǎn)意義。