通用飛機復合材料夾層結構損傷修理研究

舒明杰 王雪明 劉翀 談言朋 黃德贊 李云仲

摘 要 本文基于復合材料夾層結構特點，提出了損傷修理方法。以某通用飛機復合材料夾層結構損傷修理為例，對損傷區域的分類、修理方法的確認、修理分析、修理后的試驗驗證進行了研究。研究表明，采用“挖補法”結合濕法鋪貼工藝對復合材料夾層結構損傷區域進行修理，可以很好的恢復復合材料夾層結構損傷處的強度，可為同類飛機構件的修理提供工程參考。

關鍵詞 通用飛機；復合材料；夾層結構；損傷修理；修理分析

ABSTRACT? Based on the characteristics of composite sandwich structure，a damage repair method is proposed in this paper. Taking damage repair of composite sandwich structure of a general aircraft as an example，the classification of repair method，repair analysis and test verification after repair are studied. The research shows that the“patching method”combined with the wet paving process can restore the strength of the damaged area of the composite sandwich structure，and can provide engineering reference for the repair of similar aircraft componts.

KEYWORDS? general aircraft; composite material; sandwich structure; damage repair; repair analysis

1 引言

近年來高速發展的通用航空產業，在整個航空產業和國民經濟中占有越來越重要的地位。復合材料夾層結構由纖維樹脂基復合材料鋪層包圍的封閉泡沫芯組成，夾層結構的鋪層結構較為穩定，以防止承受較大載荷的部位（如機翼蒙皮、隔板、地板、縱梁和翼肋）發生彎曲，已越來越廣泛地應用于通用飛機構件中。

通用飛機在使用過程中受到自然環境或意外沖擊的作用，難免會造成構件的損傷，導致損傷部位的強度降低，危及飛行安全。因此，需及時對受損的構件進行修理，保證飛機的正常飛行，采用恰當的結構修理方案對復合材料進行修理，能夠達到節約成本、縮短任務周期的目的[1-8]。

目前，適用于復合材料夾層結構的修理方法主要為“挖補法”，但由于“挖補法”施工困難、修理周期長以及難以在外場條件下進行施工等原因，對復合材料夾層結構修理帶來了很多不確定性因素。因此，研究復合材料夾層結構典型損傷區域修理工藝、分析和試驗驗證方案，對保證損傷區域修補后的強度性能和飛機正常飛行安全具有重要的研究和應用意義[9，10]。

2 損傷修理方法

2.1 損傷檢測

當前針對復合材料夾層結構的無損檢測方法主要有兩種：目視檢查和敲擊法。

目視檢查需要將夾層結構的漆面、底漆和表面填充物去除，當出現大量損傷時，還需要將目視可見的損傷區域完全去除并做進一步檢查。

敲擊法是識別層合板結構脫膠及分層的一種有效手段，利用敲擊儀作用在層合板結構表面來判定結構是否出現脫膠或者分層現象。

2.2 損傷分類

復合材料夾層結構損傷包括發生在外部層壓板、外部層壓板和泡沫芯或兩側層壓板和泡沫芯的損傷。其中夾層結構層壓板損傷是指損傷延伸到表面防護層下面并涉及到下面的層壓板，其損傷形式與固體層壓板損傷類似，包括由于脫膠導致的鋪層之間分離、層壓板受撞擊后導致的結構裂紋、強烈沖擊導致的凹坑損傷或層壓板鋪層部分損傷但沒有發生穿透性損傷。根據夾層結構層合板及夾芯的損傷情況分為外部層壓板、外部層壓板和泡沫芯、穿透損傷三種，如圖1-圖3所示。

2.3 修理流程

（1）仔細檢查損傷區域，確定修理區域的形狀及尺寸；

（2）從損傷區域鋪層向外25mm處去除表面涂層，并去除已損傷層合板；

（3）小心砂除損傷的殘余夾芯結構，為待更換泡沫芯填膠預留出部分間隙。檢查內層層合結構是否損傷，如果需要，優先修理內層層合板；

（4）加入切割好的更換泡沫芯，填膠進行預固化，打磨更換泡沫芯以匹配原始泡沫芯層厚度，并清潔修理區域；

（5）準備維修界面，以長度高度比50：1的斜度打磨層合板修理區域邊緣；

（6）計算需更換鋪層層數，確定鋪層類型和方向；

（7）清潔修理區域，選擇在位或者離位貼補修理工藝修理層合板，第一層鋪層與層合板邊緣重疊最少12.5mm；

（8）經固化工藝之后，將修理區域外表面打磨光滑，完成維修區域噴漆處理。

3 某通用飛機夾層結構損傷修復驗證

3.1 損傷形式

某型飛機在某次飛行后，由于意外沖擊的作用，機身后部右側蒙皮出現裂紋，對裂紋區域進行目視和敲擊檢查，發現裂紋損傷有2條，現場進行標記，如圖4所示。

為了更清晰識別裂紋的位置和大小，對飛機機身4框附近的左側和右側蒙皮均進行了脫漆處理，脫漆之后右側情況如圖5所示，機身后部右側蒙皮裂紋模擬如圖6所示。

根據現場查勘結果，裂紋區域為泡沫芯結構，采用“2芯1”鋪層（中間為泡沫芯，上下表面各鋪一層玻璃纖維預浸料），其中芯材厚度5mm，圖6顯示右側一共分為4塊裂紋區域，其中：

（1）裂紋區域1：后機身蒙皮內外層纖維斷裂，泡沫局部破裂；

（2）裂紋區域2：后機身蒙皮表層纖維褶皺，泡沫局部褶皺，內層纖維完好（目視）；

（3）裂紋區域3：后機身蒙皮內外層纖維斷裂，泡沫局部破裂；

（4）裂紋區域4：后機身蒙皮內層纖維斷裂，泡沫局部破裂，外層纖維完好（目視）。

3.2修理方案

3.2.1材料和工藝選擇

考慮到現場施工環境限制，本次修補采用手糊濕法方式進行，其中玻璃纖維干布牌號為EW301F，樹脂牌號為L285，泡沫填充膠牌號為MF1313G。固化方式為常溫固化，如有可能，進行局部加熱至80℃，保溫15h，實現后固化。

3.2.2打磨

所有損失區從機身蒙皮外側開始打磨，打磨掉表層纖維，損傷泡沫層直至機身蒙皮內層纖維，按每個區域要求切開內層纖維，打磨后尺寸及公差要求如圖7所示。

3.2.3內層纖維修補及加強

從機身蒙皮內側進行濕法修補及加強鋪貼，材料為EW301F/L285，濕法修補層1尺寸如圖8所示。內層蒙皮修復在上、下位置需要爬上左蒙皮泡沫至少25mm，在4框位置需要搭接到4框緣條上至少25mm。

3.2.4芯材的修補

待蒙皮內側濕法修補加強層固化后，在機身蒙皮外側向泡沫挖空區域注入泡沫填充膠MF1313G（泡沫挖除寬度< 20mm）或采用L285樹脂拼接泡沫（泡沫挖除寬度≥20mm），待泡沫填充物固化后進行打磨處理至與裸露泡沫邊界齊平，具體狀態如圖9所示。

3.2.5 外層纖維填平和修補

待芯材修補固化修平整后，先對挖除外層進行填平，材料為EW301F/L285，填平層需要搭接到斜面上；再在機身蒙皮外側進行濕法修補，材料為EW301F/L285，具體尺寸要求如圖10所示。

3.2.6 蒙皮外側整體加強

前面針對損傷區域1～損傷區域4進行了內層局部修補和內側整體加強以及外側局部修補，最后需在蒙皮外側濕法加強2層，材料為EW301F/L285，整體補強后的效果示意如圖11所示，蒙皮外側加強后最終截面圖如圖12所示，機身蒙皮內外側整體補強層尺寸如圖13所示。

3.3 修理方案分析

3.3.1 材料級試驗驗證

由于機身蒙皮夾層結構在正常情況下采用預浸料鋪貼固化爐成型工藝制造，此次修復由于現場施工環境限制，采用手糊濕法鋪貼常溫固化工藝，兩種工藝條件下的制件性能可能會存在一定的差異，因此針對采用濕法鋪貼工藝對后機身蒙皮進行修復的方案，開展了濕法鋪貼力學性能試驗，對濕法鋪貼工藝力學性能進行了摸底測試，并和正常制造的制件力學性能進行了對比分析，測試記錄照片如圖14所示，試驗結果分析如表1所示。

從表1可以看出，濕法鋪貼工藝力學性能試驗測試的強度性能達到預浸料鋪貼工藝力學性能的60%，模量約為預浸料鋪貼工藝的75%。

3.3.2修理方案強度分析

采用有限元法對機身結構修復方案進行初步強度評估，按表1中所列濕法鋪貼工藝力學性能作為修復部分的力學參數對修復方案進行了分析評估，在尾翼復合受力情況下，修補部分應變云圖如圖15所示，分析結果表明，修補部分應力水平滿足強度要求。

3.3.3夾層結構修理

上一節采用有限元法對機身夾層結構修理方案進行了強度分析，本節采用3.3.1節所述的修理方案對機身結構損傷區域進行現場施工，修復后的機身如圖16所示。

3.3.4試驗驗證

上一節完成了對損傷的后機身結構的修理工作，本節將對修復后的機身開展強度試驗驗證，強度驗證工況為尾翼復合受力工況。試驗加載示意圖如圖17所示，試驗中后機身蒙皮上共設置了6個應變測量點，應變片編號分別為1117、1119、3101、3102、3103和3104，應變片貼片圖如圖19所示。

對機身試驗件進行了重新組裝，開展后機身結構損傷修復方案驗證試驗，選擇尾翼復合受力工況對機身試驗件進行了靜力加載，試驗結果表明，修復結構能夠承受67%極限載荷作用30s而無有害的永久變形，且能夠承受100%極限載荷至少3s而不破壞，滿足靜強度要求。

4結語

本文對通用飛機復合材料夾層結構貫穿性損傷的判定、特點及損傷修復進行了詳盡的介紹以某型通用飛機復合材料夾層結構損傷修復為例，首先對損傷區域進行了損傷形式判定，然后基于“挖補法”給出了復合材料夾層結構的典型損傷區域修理方案，通過開展原材料濕法鋪貼常溫固化力學性能摸底試驗，獲得了該材料在濕法鋪貼常溫固化工藝力學性能數據，同時基于試驗獲得的數據對損傷修復區域開展了有限元分析評估，最后通過全機靜力試驗驗證修理方案的合理性。為通用飛機復合材料夾層結構的修理奠定了基礎并提供了有效依據，具有廣泛的應用價值。

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