航空復合材料維修數字化技術的展望

蔡長海 劉文新 許朋 劉學凱 苗廣原

0引言

先進樹脂基復合材料以其優異的設計性能和減重性能已經成為航空領域最重要的結構材料之一，在新型飛機上的用量也正大幅提高。在使用和維護過程中不可避免地會發現結構缺陷或發生結構損傷，復合材料部件的維修任務量呈逐年上升趨勢，因此，對先進維修技術的需求也日益迫切。

與早期的金屬飛機剛剛開展維修工作的情形相似，新材料的應用會給相應的維修領域帶來技術變革。由于關鍵維修技術的封鎖，目前國內飛機部件維修大多依靠維修手冊及其中的二維圖，無法真實、準確地獲取部件內部尺寸、鋪層方向和材質等信息，阻礙了維修技術的進步。目前，制造業已應用數字化技術生產各類部件，為突破關鍵維修技術的封鎖，現考慮將數字化技術引入復合材料維修中。

1 航空復合材料維修數字化技術的含義

數字化技術是以數字電子計算機硬軟件、周邊設備、協議和網絡為基礎的信息離散化表述、定量、感知、傳遞、存儲、處理、控制、聯網的集成技術。其用于制造業可包括數字化制造技術與數字化產品兩部分。數字化制造技術是將數字化技術用于支持部件全生命周期的制造活動和企業的全局優化運作，數字化產品是將數字化技術注入到工業產品中。

數字化技術還原了實際維修各個環節的本質過程，在復合材料部件開展維修工作之前，就能全面分析復合材料部件維修過程的合理性，做出前瞻性的決策與優化實施方案。此外，通過數字化技術可以進行維修操作過程仿真，有效降低維修費用，提高維修的準確性與效率。

1.1 航空復合材料維修數字化技術在國際維修領域的應用

國外一些知名的飛機維修企業，在基于對產品數模、裝配技術保密以及適航要求的前提下使用維修手冊，而在研究發展方面實施全數字化設計維修技術、運用數字化技術對修理方案的結構性能進行力學分析、對維修過程產品航材的準確定位以及航材訂購的管控，以保證修理的可靠性和維修過程管控性，而對于國內維修企業，這些數字化技術被牢牢控制在OEM手中。

1.2 航空復合材料維修數字化技術應用優勢

我國航空復合材料部件維修是對實物測量標定缺陷位置及尺寸，參考對應維修手冊中的二維圖紙確定修補位置及修補航材，而實際中由于其維修過程的復雜和無法直觀獲取維修數據，導致修理周期較長。且在不具備數字化平臺的情況下，大多維修環節過分地依賴人，存在一定人為因素風險隱患，不利于航空安全的維修行為。采用航空復合材料維修數字化技術，其優勢表現為：

（1）建立三維電子數模，直觀地體現復合材料部件與維修手冊相符的所有信息，如型面尺寸、厚度、緊固件尺寸位置材質信息、鋪層信息等。在維修過程中，參考相關基準面，通過實際測量缺陷位置信息，直觀地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質、上下級部件的裝配關系等，用以指導工程師設計更合理的維修方案。在維修操作過程中，操作者可依照維修手冊并參考三維數模，提高維修效率；

（2）依據三維電子數模，制作復合材料部件維修工裝。航空復合材料部件大部分存在一定的曲率，型面較為復雜。復合材料部件的修理大多采用熱粘接的方式，型面復雜的部件在熱成型過程中需要相應的維修工裝提供與之相符的理論型面。目前一些特定復合材料部件型面過于復雜（如格柵類部件等），加之缺乏三維電子數模而無法制作與之相匹配的維修工裝，使得很多維修工作無法開展，喪失了積累寶貴維修經驗的機會；

（3）數字化技術有助于開發新的維修方案的能力，通過三維電子數模對修理方案進行仿真模擬，是開發新的維修方案的必備條件。通過三維電子數模，采用模擬仿真軟件，對設計方案的安全性、可靠性進行模擬仿真，確保超規范修理能夠達到飛機結構的安全要求。新的損傷維修方案的開發過程中，三維電子數模提供的原部件的制造信息、材料信息、復合材料鋪層角度信息、熱膨脹系數信息等都是最根本的必要條件。

2 國內現狀及發展思路

2.1 國內現狀

目前國內復合材料維修的主要難點在于維修方案的設計，現階段復合材料修理標準方法僅止步于次要表面的修復。大多航空公司只能利用EASA DOA（歐洲航空安全局設計機構批準書）給出的方案進行施工。大型維修企業根據多年的維修經驗以及OEM維修手冊進行維修工作，但超過手冊限度的方案仍受到OEM的制約，OEM嚴格控制著飛機部件的三維電子數模。相關維修手冊雖然規定了維修標準和工作細則，但不具有完備的數字化信息庫平臺，無法獲得復合材料部件材料信息、鋪層信息、裝配信息，我國的復合材料部件維修無法實現突破式的飛躍。

2.2 發展思路

（1）利用維修工作的便利條件，采用逆向工程制作相關維修部件的三維電子數模。通過多個批次的部件進行試驗、測繪和分析，提取出逆向建模的關鍵條件。其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質、精度等多方面的逆向，建立高還原度的三維電子數模，并對復合材料部件的材料信息、外形輪廓、連接件等信息進行詳細的標注。

（2）在已建立完備三維電子數模的基礎上，將SRM、CMM維修手冊的相關標準、施工程序按照部件劃分至相應的三維電子數模NOTE文件中作為參考數據，形成直觀的技術文件，并配備若干移動客戶端，便于工程師和工作者維修現場的參考使用，從而減少人為因素的潛在風險。

（3）由于建立三維電子數模只能作為參考使用數據，所以在與維修手冊中的信息進行對接時一定要保證其數據的一致性，并及時監控手冊的改版信息，使三維電子數模與手冊的保持一致。

（4）采用計算機輔助工藝過程設計（CAPP）結合三維電子數模，形成規范的維修工卡體系，同時對維修過程復雜繁多的維修航材進行有效管控。省去了大量的查找手冊尋找相應航材以及替代航材時間，節省時間成本，提高效率。

（5）基于三維電子數模及材料信息，開展復合材料部件修理性能虛擬仿真，驗證修理方案的可靠性。在具備修理復合材料部件施工能力的同時，加強部件修理的設計能力，最終建成產研一體化的先進的復合材料維修企業。

（6）建立以部件數據庫、航材數據庫、維修工裝數據庫、維修方案數據庫等為核心的航空復合材料部件維修大數據技術平臺，并進一步升級為云數據技術平臺。通過該平臺保證部件維修全流程中數據文件的唯一性，達到數據與復合材料部件維修諸多環節間的有效集成，確保數據流在復合材料部件維修全流程中的真實有效傳遞，實現大數據與云數據技術平臺和數字化生產線的有效銜接，實現航空復合材料部件維修的數字化集成，達到縮短周期和提升產品維修質量的效果。

3 航空復合材料維修數字化技術的實際應用案例

V2500發動機風扇罩主體結構是由碳纖維和鋁蜂窩組成的三明治結構，實際是由2～7層不等碳纖維和兩種不同密度的蜂窩組成（如圖1），由于其結構的復雜性，主體部位一旦發生損傷，使用二維圖紙進行維修，無論是在方案設計方面和工程施工方面都將是一大挑戰，并且增加了人為因素風險隱患。因此，南航沈陽維修基地首次應用數字化技術設計風扇罩損傷修理方案。具體步驟為：

（1）建立損傷模型：參考相關基準面，通過實際測量缺陷位置信息，在三維數模目錄樹下標注風扇罩損傷尺寸信息、輪廓尺寸信息、連接件信息、零部件件序號信息和材料信息等，直觀地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質、上下級部件的裝配關系等，通過逆向掃描模擬出風扇罩局部損傷的三維模型（如圖2）。

（2）建立維修模型：通過現場測尺、結合手冊信息和廠家維修圖紙在三維數模目錄樹下建立相關的維修信息，如材料信息（蜂窩、碳纖維層、玻璃布層、膠接層等）、各個修理的區域及尺寸信息和零部件件序號信息等，直觀地建立缺陷位置維修體系，通過逆向掃描模擬出風扇罩三維維修模型（如圖3）。

從風扇罩的三維維修模型中不難發現，工作者在維修過程中可實現直觀地查找維修信息，避免出現由于讀圖失誤而造成的人為差錯，可以提高維修效率。打破以往采用二維圖紙編制超規范維修方案的模式，將三維數模維修方案引入文件，形成直觀簡潔的維修方案，加快方案編制的速度和審核速度，并在維修現場配備個人移動終端設備，在維修過程中隨時可以接近三維電子數模，查找確認相關信息，提高維修效率，減少人為差錯。

（3）剖析三維維修模型：與二維維修模型方案相比，使用三維數模進行編制維修方案共使用4張圖標便可以進行清晰的表達。而使用二維圖紙編制的方案共需要11張圖標，在查看過程中需往復進行細致的分析對比，且易出現讀圖失誤造成的人為差錯。由此可見采用三維數模編制維修方案可以大幅地減少維修方案的篇幅，工程師可以清晰明了地表明自身的維修思路和設計方案，工作者可以更加輕松地實施維修方案。

（4）三維維修模型的展望：目前國內民用航空維修領域之所以沒有使用三維數模進行相關生產維修工作，主要是受到OEM的限制，不能實時更新數模版本。南航沈陽基地在日常維修工作中，以手冊為基本依據的前提下，主要通過自我積累維修部件的三維數模，建立相關的數據庫和NOTE標注集。這樣便可以采取三維數模輔助快速識別部件損傷位置、航材基本信息、質量分區基本信息、損傷容限基本信息、維修章節基本信息、特殊要求（如磅力矩等）基本信息等，完成識別后有針對性的在維修手冊中進行確認核對工作； 遇到超過手冊規定范圍的損傷，也可以通過三維數模編制維修方案，簡化方案篇幅，配合移動終端設備接近相關具體方案，直觀快速的理解并實施維修方案。

4 結束語

隨著復合材料廣泛應用于航空領域，部件損傷的情況更是千差萬別，使得當下維修手冊中給出的典型修理方案已不能夠滿足日益增長的維修需要，因此迫切要求國內主要的飛機維修企業快速提升維修方案設計能力，并通過數字化技術的應用建立復合材料部件維修各個環節的數據庫，實現航空復合材料部件的數字化集成維修，突破國外技術封鎖，提高航空復合材料維修的綜合能力。

參考文獻

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