某型直升機蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)挖補修理工藝穩(wěn)定性試驗驗證與分析

張金奎 魯國富

摘要：針對某型直升機蜂窩夾芯半穿透損傷結(jié)構(gòu)開展維修工藝及其穩(wěn)定性研究。利用夾芯損傷修理工藝實施了預(yù)制損傷試驗件修理及試驗驗證工作，提出一種工藝穩(wěn)定性分析方法。試驗及其數(shù)據(jù)分析表明：不同批次損傷修理結(jié)構(gòu)破壞載荷數(shù)據(jù)符合來自同一母體的假設(shè)，數(shù)據(jù)分散性小，且修理后蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)達到未損傷結(jié)構(gòu)的91.9%，驗證了其修理工藝的有效性和穩(wěn)定性，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理工藝驗證提供了方法和經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：直升機；蜂窩結(jié)構(gòu)；挖補

Keywords：helicopter；honeycomb structure；scarf repair

復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的特點是重量輕、剛度大、力學(xué)性能優(yōu)異、可設(shè)計性強，因此現(xiàn)代直升機結(jié)構(gòu)大量采用這種蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，以達到減重、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。通過對直升機服役過程出現(xiàn)的損傷進行調(diào)研，結(jié)合多年的維修保障實踐，發(fā)現(xiàn)直升機復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)常會出現(xiàn)較大的半穿透性損傷，嚴(yán)重威脅直升機結(jié)構(gòu)的安全。本文針對某型直升機復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)半穿透性損傷維修工藝進行研究[1，2]，結(jié)合典型結(jié)構(gòu)損傷維修樣件及力學(xué)性能測試，利用數(shù)理統(tǒng)計方法開展工藝穩(wěn)定性分析，驗證工藝的可靠性，為直升機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維修實施提供支撐。

1 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)半穿透性損傷及維修工藝

圖1所示為直升機復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)半穿透性損傷，其一側(cè)面板破斷，蜂窩與面板脫粘。這類損傷結(jié)構(gòu)損傷面積較大，損傷后結(jié)構(gòu)承載能力嚴(yán)重降低，根據(jù)其損傷性質(zhì)需采用挖補方法開展修理。

修理工藝如圖2所示。

1）對損傷部位蜂窩及面板損傷進行清理；

2）制作一個比蜂窩芯直徑小4mm的圓形蜂窩塊；

3）在圓形蜂窩側(cè)面用發(fā)泡膠膜鋪貼；

4）在蜂窩芯上下表面噴涂底膠并用膠膜膠接于損傷區(qū)域中心位置；

5）根據(jù)膠粘劑技術(shù)要求進行固化；

6）根據(jù)修理區(qū)域大小裁剪所需的預(yù)浸料鋪層，鋪層材料、角度、層數(shù)應(yīng)與該零件原使用材料保持一致，并按鋪層順序做好相應(yīng)的標(biāo)識；

7）將預(yù)浸料按標(biāo)識逐層鋪貼在修理區(qū)域，按其相應(yīng)工序的固化條件進行固化。

2 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)維修工藝驗證試驗

2.1 損傷結(jié)構(gòu)模擬件生產(chǎn)及維修工藝實施

為驗證直升機復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)半穿透損傷維修工藝，利用生產(chǎn)工藝制作典型預(yù)制損傷試驗件，并依據(jù)損傷修復(fù)工藝開展損傷修復(fù)。試驗件面板為玻璃纖維，蜂窩為芳綸紙蜂窩，其材料、鋪層均與直升機原結(jié)構(gòu)一致。

2.2 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)芯子剪切試驗

依據(jù)ASTMC393《Standard test method for core shear properties of sandwich constructions by beam flexure》開展力學(xué)剪切試驗，驗證穿透損傷結(jié)構(gòu)修復(fù)效果，試驗如圖3、圖4所示。試驗分為蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)未損傷力學(xué)試驗、夾芯結(jié)構(gòu)挖補結(jié)構(gòu)力學(xué)兩類。考慮不同批次的工藝穩(wěn)定性，每種試驗均制作兩批，試驗情況見表1。試驗件破壞形式如圖5所示，試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

通過試驗可知，無損傷試驗件、損傷修復(fù)后試驗件破壞過程均使加載部位蜂窩、面板出現(xiàn)較大變形，隨后蜂窩屈曲，最終蜂窩及面板破壞，兩種試驗件損傷過程及損傷模式一致。無損傷試驗件、損傷修復(fù)后試驗件破壞載荷均在1.4kN左右，但修復(fù)后試驗件破壞載荷的分散性比無損傷試驗件大，主要是因為包含了生產(chǎn)和修理兩個過程的工藝分散性。

3 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)修理工藝穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

對試驗數(shù)據(jù)開展最大賦范殘差MNR分析，剔除異常試驗數(shù)據(jù)，并針對各批次試驗數(shù)據(jù)進行擬合優(yōu)度檢驗[3]，分析其試驗數(shù)據(jù)分布規(guī)律。利用K樣本Anderson-Darling檢驗方法[3]檢驗兩組數(shù)據(jù)是否來自同一母體，驗證兩個批次試驗數(shù)據(jù)能否融合。數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過最大賦范殘差MNR分析，四組試驗數(shù)據(jù)均無異常；對無損傷試驗數(shù)據(jù)進行分析，其兩組數(shù)據(jù)均滿足正態(tài)分布；利用Anderson-Darling檢驗方法檢驗兩組數(shù)據(jù)均通過了來自同一母體的檢驗，故無損傷兩批試驗數(shù)據(jù)滿足同一母體，且符合正態(tài)分布，其B基準(zhǔn)值為1.321kN，分布規(guī)律如圖8a）所示。其次，對損傷修復(fù)試驗數(shù)據(jù)進行分析，滿足正態(tài)分布，兩組數(shù)據(jù)通過了來自同一母體的檢驗，分布規(guī)律如圖8b）所示；其B基準(zhǔn)值為1.214kN，達到了未損傷強度值的91.9%，離散系數(shù)為0.063，分散性較小。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。

根據(jù)制定的維修工藝實施維修，維修后蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分散性小，剪切強度達到了未損傷結(jié)構(gòu)的91.9%，其維修工藝穩(wěn)定好，力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，可采用此工藝及驗證的工藝過程實施該型直升機蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)修理。

4 結(jié)束語

針對某型直升機蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)典型半穿透性損傷，制定了維修工藝。結(jié)合維修工藝及維修技術(shù)要求，開展了多批次的工藝驗證試驗。利用數(shù)理統(tǒng)計方法，對試驗結(jié)果進行了分析，分析表明某型直升機蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)半穿透性損傷修理工藝穩(wěn)定，修理后結(jié)構(gòu)強度滿足技術(shù)要求。此次工藝及穩(wěn)定性分析研究，為后續(xù)直升機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理提供了支撐。

參考文獻

[1]李璇. 先進復(fù)合材料的維修日益復(fù)雜[J].航空維修與工程，2018，330（12）：17-19.

[2]曹景斌. 航空復(fù)合材料的損傷與維修[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019，16（12）：14-15.

[3]汪海，等.復(fù)合材料手冊（第一冊）[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2015.

作者簡介

張金奎，高級工程師，主要從事直升機機械/結(jié)構(gòu)修理。

魯國富，高級工程師，主要從事直升機機械/結(jié)構(gòu)修理。

*基金項目湖南省飛機維修工程技術(shù)研究中心開放基金資助，項目編號為FJWX202002。