復材泡沫夾芯飛機結構的制造缺陷收集和修理

孔德拴

（浙江中航通飛研究院有限公司，浙江 德清313200）

復合材料夾芯結構具有比強度、比剛度高的優點，但也存在制造缺陷種類繁多(包括沖擊損傷、分層、夾雜、褶皺和氣孔等)、結構性能對缺陷敏感的缺點。由于制造缺陷的出現是隨機事件，與工廠的質量管理體系、工具種類和工人素質等不可量化因素有關，因此對復合材料結構制造缺陷或損傷源的收集是一項長期而繁瑣的工作，可參考的資料非常有限。僅有的可參考文獻為美國海軍對軍用飛機1644 次沖擊事件的外場調查,通過用F-15 機翼上得到的標定曲線,把在金屬結構上觀察到的沖擊凹坑轉變為能量, 得到飛機一倍壽命內沖擊能量與超越數的經驗曲線[1]。如何簡單地量化缺陷對結構性能的影響，并在盡量少增加重量的前提下修復這些缺陷，一直是困擾飛機結構工程師的難點。

本文通過某型全復合材料飛機結構制造的實踐，收集了制造過程中由工人操作、工具掉落和飛機轉運等引入的各種類型缺陷，對這些缺陷進行了尺寸測量和評估，對需要修理的缺陷進行了修理。研究結果表明，制造缺陷在機體結構制造過程中是不可避免的，且發生的部位、類型和數量是隨機的，采用合理的維修方法可以較好的恢復結構的性能，滿足設計要求。

1 缺陷和損傷源收集

1.1 夾雜

夾雜指在復合材料層合板鋪貼過程中，在鋪層中混入的非結構材料的外來物。外來物的來源包括預浸料的離型膜、真空輔助材料（包括隔離膜、真空袋、透氣氈）、干絲、頭發等。夾雜會降低層合板的層間性能和壓縮性能，并成為疲勞失效的裂紋源。圖1 所示夾雜為預浸料的離型膜，是復合材料件制造過程中最常見的缺陷。

1.2 氣孔和分層

氣孔和分層缺陷是在固化過程中，由于樹脂流動性較差、真空壓力不足、模具漏氣、鋪貼層數過大、鋪貼錯層處理不當、預浸料貧脂（樹脂被離型膜帶走）、保溫時間不足等導致的層與層之間分離。分層一般出現在層與層和層與芯之間的界面上。實踐經驗表明，對于薄面板的夾芯結構，分層極易出現在層與芯界面上。導致氣孔和分層的因素較多，需通過綜合分析確定原因。分層和氣孔同樣會降低層合板的層間性能和壓縮性能，較大分層會導致層壓板出現失穩而提前破壞。圖1 所示白色雪花狀為氣孔缺陷，無損檢測表明有大面積分層。

1.3 沖擊損傷

沖擊損傷是在制造過程中，由于工具（包括緊固件、定位工裝、鋼板尺、鉆頭等）跌落和轉運碰撞引入的一類損傷。對于本文研究的復合材料泡沫夾芯結構，由于面板厚度小于1 毫米，工具跌落時容易引起目視可見損傷，易于被發現，相比較于大厚度層壓板結構其潛在危險性較小。

圖1 制造缺陷和損傷

1.4 開膠和弱膠接

對于全復合材料飛機，膠接是一種經濟且方便的連接方式。結構裝配時可以批量膠接一次固化，大大加快裝配效率，減輕結構重量，提高結構效率。但膠接也有很多缺點，由于膠接面處理不當、膠接間隙控制不嚴、涂膠均勻性差和固化溫度不均勻等原因，容易在局部出現開膠和弱膠接缺陷。弱膠接不易被無損檢測檢出，出現位置隨機，對結構強度的影響不易評估，因此其潛在危險性較大。飛機結構采用膠接時，必須嚴格控制膠接工藝，保證膠接質量。

在進行飛機結構疲勞/損傷容限設計時，必須考慮出現大面積開膠和弱膠接的可能性，并驗證在疲勞載荷作用下開膠的擴展速率。對于機翼結構，可考慮在兩相鄰肋間全部出現開膠時，機翼可承受設計限制載荷。

1.5 損傷源的概率統計方法

由于制造缺陷的出現是隨機事件，只能通過工程實踐收集和統計學的方法對缺陷出現的概率給出經驗公式。借鑒參考文獻[1]中對沖擊事件的統計方法，本文給出需要修理的制造缺陷和損傷出現概率的經驗公式。假設零件出現需要修理的缺陷概率為Pa，則Pa應是如下兩個概率的乘積：

Pa=Pe（缺陷出現）×Pr（缺陷尺寸＞Dco）

其中，Dco為允許缺陷尺寸臨界值。根據現場統計，Pe事件概率的數量級為10-1。而缺陷尺寸D 與Pr呈對數線性關系：

logPr=-D（j）/a

其中a 為斜率，根據經驗統計數據給出。零件出現需要修理缺陷的概率：

Pa=Pe×10-D（j）/a=0.1×10-D（j）/a復合材料結構修理

2 夾雜和分層的修理

小范圍的夾雜和分層缺陷，不需要進行修理。當單個缺陷尺寸超過20×20mm 或幾個連續分布的小缺陷尺寸超過20×20mm 時，則應進行修理。

首先應打磨缺陷區域直到去除夾雜和分層，然后進行濕法鋪貼，濕法鋪層角度與修理區域基礎鋪層相同，層數為2N（N 為打磨掉的層數）。對于氣動表面，濕法鋪貼時逐層遞增，必要時可進行真空加壓；對于非氣動表面，則可以根據實際情況逐層遞增或遞減。

2.1 沖擊損傷的修理

小面積的沖擊損傷，直接采用泡沫封口膠填補缺口即可。對于出現芯子塌陷的較大沖擊損傷，則應進行修理。

首先應打磨掉損傷區域的層壓板，并挖掉塌陷的泡沫。在去除泡沫的區域填充樹脂填料，待填充料固化后進行必要的打磨和清理，其次采用濕法鋪貼修理損傷的層壓板，濕法鋪貼方法同夾雜修理，鋪貼范圍比損傷區域大至少12mm。

2.2 修理的檢驗和評估

采用目視檢測的方法對修理區域進行檢測，不能有新的分層和夾雜，氣動表面的修理應足夠光滑，不應有明顯的臺階，不能與周邊結構干涉。

3 結論

研究表明：

（1）預浸料離型膜是出現頻率最高的夾雜外來物；

（2）導致分層和氣孔的因素較多，應開展充分的工藝試驗來確定嚴格的工藝過程來避免這類缺陷；

（3）濕法鋪貼修理可以獲得良好的維修效果，滿足結構強度、剛度和氣動外形的要求。