飞机复合材料损伤检测与维修——毕业论文

上海民航职业技术学院毕业论文飞机复合材料损伤检测与维修姓 名： 专 业： 飞机结构维修 班 级： 完成日期： 指导教师： 12 上海民航职业技术学院毕业设计(论文) 摘要复合材料是由两种或两种以上的原材料,通过各种工艺方法组合成的新材料。其应用在航空领域越来越广泛。对于现代飞机来说复合材料的应用对减重、耐腐蚀和降低成本有着重要的作用。对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。复合材料在飞机上的应用日趋广泛,其应用和修理水平亟待提高。论文介绍了飞机复合 材料的损伤特征和可用于飞机复合材料损伤无损检测的目视、敲击、阻抗、谐振、超声、射线照像、红外热图和声发射等检测法,并结合实际介绍了不同类型复合材 料结构和缺陷检测方法的选择。关键词：复合材料；损伤检测；维修ABSTRACTComposite materials are composed of two or more than two kinds of raw materials. Its application in aviation field is more and more extensive. For modern aircraft, the application of composite materials has an important role in weight loss, corrosion resistance and cost reduction. It plays an important role in the light weight, small size and high performance of the aircraft structure. The application of composite materials in aircraft is becoming more and more extensive, and its application and repair level need to be improved. This paper introduces the damage characteristics of aircraft composite material and can be used for nondestructive detection of visual, percussion, impedance, resonance, ultrasound, X-ray, infrared thermography and acoustic emission detection method of damaged aircraft composite materials, and introduces different types of composite structure and defect detection method combined with the actual choice. Key words: composite material; damage detection; maintenance 目录第1章 前言4第2章 复合材料的损伤52.1 复合材料主要损伤类型52.2 复合材料无损检测方法62.3 复合材料结构损伤描述7第3章 飞机复合材料损伤检测基本方法83.1 目视法83.2 敲击法83.3 声阻法83.4 谐振法83.5 超声法93.6 射线法9第4章 复合材料结构修理方法104.1 修理要求104.2 修理流程及修理方法10第5章 总结13参考文献14致 谢15第1章 前言近年来，无论是军用飞机还是民用飞机甚至是航天领域，复合材料用量都呈较大幅度的增长，如复合材料中常见的炭纤维需求量如图1.1所示在航空航天工程中需求量逐年递增， 作为民用飞机的B787复合材料用量甚至达到50%1，同时，全复合材料的无人机已经出现，比如波音公司研制的X-45C无人战斗机机体结构90%以上采用复合材料。复合材料在教练机上的应用水平也逐渐提高。意大利的M346高级教练机（见图1.1）生产型复合材料用量达机体结构重量的20%，印度计划研制的HJT-39“猫”高级战斗教练机则号称复合材料用量要达到 80%。EADS公司提出的MAKO高级教练机方案在包括机翼蒙皮、前机身、平尾、垂尾、进气道等部位均采用碳纤维复合材料，RCS仅为1平方米，比EF2000还小得多2。我国，洪都公司研制的L15型高级教练机在垂尾、平尾、副翼等部位均使用国产碳纤维复合材料结构，复合材料用量达到8%。国内外的统计资料表明，在飞机全寿命费用中，使用和维护保障费高达50%以上，在飞机大面积采用整体化复合材料结构后， 其维护和修理问题变得更加突出。 比如，复合材料部件采用共固化、共胶接等工艺整体成型， 生产和使用过程中产生损伤的概率同时升高，对这些损伤进行修理是维护的首选，更换部件将极为不经济。 因此，复合材料结构修理技术已经成为飞机复合材料结构研制与维护中的一项关键技术。图1.1 复合材料的需求第2章 复合材料的损伤由于复合材料本身的特殊性， 在生产与使用的各个时期都可能产生不同类型的损伤，与金属相比，其损伤与破坏模式更加复杂， 且往往多种损伤同时发生，因而对损伤的检测与评价比金属困难得多。2.1 复合材料主要损伤类型按产生损伤的原因， 复合材料结构的损伤可以分为制造缺陷、使用损伤以及环境损伤。 所谓制造缺陷， 是指材料或结构在生产过程中由于工艺方法不合理、 组分材料不合格或工人操作不当等造成的损伤；使用损伤是指飞机在服役期间，由于操作失误引起的损伤； 环境损伤是指飞机服役期间非人为操作引起的损伤。 复合材料结构常见损伤及产生原因见表2.1，部分损伤如图2.1所示。表2.1 复合材料常见损伤及产生原因损伤类型损伤名称典型原因制造缺陷表面损伤操作失误，脱模不当孔隙固化压力过低，树脂/纤维浸润性差，低分子挥发超标分层存在夹杂物，含胶量过低，固化工艺不合理，制孔缺陷脱胶胶接面贴合性差，胶接压力不够，胶膜工艺性差使用损伤表面划伤尖锐物划伤表面凹陷践踏，冲击损伤分层工具跌落，设备跌落，维护台架撞击脱胶非设计面外载荷，超载边缘损伤边角受到撞击，可拆卸部件使用不当，开闭引起的磨损或擦伤穿透损伤弹伤，尖锐物冲击环境损伤腐蚀坑沙蚀，雨蚀，腐蚀性溶剂分层冰雹冲击，跑道碎石冲击，鸟撞，热震，声震穿透损伤鸟撞表面氧化高温，雷击夹层结构面芯脱粘蜂窝芯进水，冲击环境图2.1 复合材料结构典型损伤按可修性分类，这些损伤可以分为许用损伤、可修损伤以及不可修损伤：1)许用损伤。 该类损伤不会影响飞机结构的完整性，不需要立即修理，但应在规定的时间内按规定的方法进行永久性修理；2)可修损伤。 这类损伤将影响飞机结构的完整性或使用功能，必须进行临时性或永久性修理，或先进行临时性修理， 再在规定的时间内按规定的方法进行永久性修理；3)不可修损伤。 这类损伤按现有方法进行修理后无法保持结构完整性或基本的使用功能， 或者即使能修理但经济性很差， 必须进行更换或返回给制造商。2.2 复合材料无损检测方法复合材料的损伤检测既是损伤评价的依据，也是复合材料结构修理的前提与基础， 在确定是否可修以及修理方案以前， 必须对损伤部件进行彻底的无损检查，以确定损伤的类型与程度。 飞机复合材料结构常用的无损检测方法包括：1） 目视检测法。 该方法仅能发现肉眼可见的损伤，比如飞鸟或尖锐物撞击引起的穿透损伤，或者大于一定深度的表面凹坑；2） 敲击检测法。 该方法利用小锤或其他工具轻轻敲击复合材料制件， 通过辨听声音差异来查找损伤，适用于检测夹层结构面芯脱粘、层合板分层以及脱胶等损伤，但受操作者的经验影响较大；3） 射线检测法。 该方法利用X射线成像原理检测复合材料内部损伤， 特别适合于检测夹层结构的内部损伤以及复合材料中的夹杂；4） 超声检测法。 该方法利用超声波的反射情况来判定损伤的类型、位置与深度等信息，可以用于检测孔隙率、分层、脱胶、夹杂、疏松、裂纹等大部分损伤类型， 是目前应用最广的复合材料无损检测方法之一；5） 剪切散斑检测法 （Shearography Inspection）。该方法利用激光剪切散斑干涉技术测量复合材料结构中是否存在离面位移变化不均匀， 即是否存在损伤区。 这是一种非接触式快速原位检测方法3；6） 红外成像检测法 （Thermography Inspection）。“当复合材料内部存在损伤时，将改变其热传导特性，此时通过热成像装置就可显示损伤的位置和大小。该方法的优点在于检测效率较高，且安全可靠。”4以上方法各有优缺点， 需要根据实际结构及可能的损伤情况选用合适的方法， 有时甚至需要采用几种方法联合进行检查，以完整地确定损伤的状态。2.3 复合材料结构损伤描述有了无损检测结果后，需要形成损伤描述报告，损伤报告应包含现场照片及示意图， 以及必要且准确的文字说明。 一个完整的损伤描述报告至少应包含以下主要内容：1）损伤部件名称， 即说明是哪个部件发生了损伤，比如垂直安定面、水平尾翼等等；2）损伤位置， 如果该型飞机已有结构修理手册（SRM），则直接说明损伤所处的分区位置，若无分区说明，则应报告损伤位于哪个构件，以及损伤在该构件上的位置；3）损伤类型，即说明是表面划伤、分层，还是夹层结构面芯脱粘、墙缘条/蒙皮脱胶等等；4）损伤程度，即描述损伤的形状、外围尺寸、深度等信息；5）损伤与其他损伤的关系， 即描述损伤的分布情况，包括损伤与周围损伤（含已修复的损伤）之间的距离。第3章 飞机复合材料损伤检测基本方法无损检测方法现有十几种,但能够有效地用于复合材料损伤检测的方法,主要有目视法（包括渗透检测法）、敲击法、阻抗、谐振、超声、射线照像、红外热图和声发射等方法6。3.1 目视法目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法，它是借助放大镜和内窥镜观测构件表面和内部可达区域表面的一检测方法。可用来检查表面划伤,裂纹!起泡,起皱,凹痕,变形,变色,断裂,螺钉松动等情况；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷。3.2 敲击法敲击检测是胶接结构的最快捷和有效的检测方法之一，广泛应用于蜂窝夹芯结构、板板胶接结构的外场检测，检测速度快，准确性高。敲击检测分为：硬币敲击和专用工具敲击，如敲击工具和自动敲击检测工具。3.3 声阻法声阻法是利用声阻仪，通过蜂窝胶接结构粘接良好区域与粘接缺陷区的表面机械阻抗有明显差异这一特点来实现检测的，主要用于检测铝制单蒙皮和蒙皮加垫板的蜂窝胶接结构的板芯分离缺陷检测。其特点是点接触干耦合，不需耦合剂，操作简单、易行。3.4 谐振法声谐振法是利用胶接检测仪，通过声波传播特性的测试实现对胶接结构的无损检测。适用于检测曲率半径在500mm以上的金属蜂窝胶接结构，能检测单侧蒙皮和带垫板的金属蜂窝结构的脱粘缺陷。3.5 超声法超声波检测法是依据定向辐射超声波束至缺陷界面上产生反射，或使透过的能量下降等原理， 通过测量回波的时间、透过波强度变化而指示的一种缺陷（损伤）检测方法5。该方法的优点是：超声波穿透能力较大，例如在钢中的有效探测深度可达1米以上；对平面型缺陷如裂纹、夹层等，探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和相对大小。超声波探伤的种类很多，按探伤原理可分为脉冲反射法、穿透法和共振法；按显示方式可分为A型幅度、C型断面、C型平面和立体成像显示等。其中，C扫描由于显示直观、检测速度快，已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。A扫描检测可逐点覆盖检测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便，但检测可靠性低，主要取决于检测者的技术水平和敬业精神，目前在外场的复合材料超声检测多数采用人工超声波A扫描检测。3.6 射线法对于复合材料结构而言，射线检测是最直接,最有效的无损检测技术之一。它是用X射线透过复合材料（厚度方法）， 以感光胶片或像的黑度变化形式记录缺陷引起的射线强度变化， 或将这种缺陷引起的射线强度变化通过感光屏和图像增强，利用计算机等辅助成像显示，进行缺陷检测。该法特别适合于检测纤维增强层板结构中的孔隙和夹杂等体积型缺陷和夹芯结构中的芯子变形、开裂、发泡胶发泡不足以及镶嵌物位置异常等缺陷的检测。 射线检测对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性，但对复合材料结构中的分层缺陷不敏感。第4章 复合材料结构修理方法4.1 修理要求复合材料结构修理的目标在于尽可能通过可靠、简易、经济的修理手段最大程度地恢复结构的承载能力与功能性。 复合材料结构修理的主要技术要求如下：1）结构强度（包括稳定性）要求，即强度恢复率大于规定的数值；2）结构刚度要求， 包括变形、 频率以及传力路线等；3）耐久性要求， 即被修复结构在规定的寿命期内须满足抗疲劳、腐蚀、热退化、剥离、分层以及冲击等方面的要求；4）功能要求，包括密封、隐身以及电性能等方面的要求；5）外形要求，包括气动外形要求、美观度要求等；6）重量要求，即重量增加尽可能小，不影响动部件的动态响应；7）修理成本要求，包括用时少、经济性好；8）修理环境要求，比如外场修理环境限制等。在制定修理方案之前， 需要根据损伤描述报告确定损伤区的范围，一般遵循以下原则：1）如果两个损伤区靠得很近 ， 即xx0或X X0，则将其视为一个损伤区进行修理；2）如果满足第1）条的两个损伤区分别位于不同的修理区，则按要求更严格的区域进行修理；3）如果一个损伤区横跨两个修理区， 同样按要求更严格的区域进行修理。4.2 修理流程及修理方法典型的飞机复合材料结构修理流程如图4.1所示。根据不同的损伤类型以及损伤部位的结构特点，应采用不同的结构修理方法。 典型的复合材料结构修理方法包括非补片式修理方法与补片式修理方法（也可分为机械连接修理与胶接修理方法）：图4.1 飞机复合材料结构修理流程图（1）非补片式修理方法1)非补片式修理方法非补片式修理方法大多用于许用损伤等一些小的损伤的修理，一般操作简单，外场使用方便。 常见的非补片式修理方法主要包含以下几种：（1）注射法，该方法通过将树脂注入损伤区 ，采用常温固化或加热固化， 以修理复合材料结构中的损伤。 注射法一般用于修复层合板中的小分层（特别是边缘分层）、较小的胶接区脱胶等；（2）混合物填充法。 与注射法类似，只不过填充物多为短切纤维-树脂混合物。 该方法一般用于修复小范围的表面损伤以及蜂窝夹层结构中出现的损伤；（3）涂层法。 主要用于修复表面的密封层、防腐层以及导电层等；（4）抽钉法。 该方法通过在分层区或脱胶区打抽钉进行加强，以恢复界面传载能力，抑制损伤扩展，是应用较多的非补片式修理方法。（2）补片式修理方法补片式修理方法一般用于承力结构上较大的损伤的修复，其工艺相对复杂。根据补片材料、补片形式以及修理工艺，可以分为以下三种类型：（1）外搭接补片机械连接法。补片可以是金属板，也可以是复合材料层合板，通过抽钉等紧固件与母体结构机械连接，适合外场紧急修理!但采用铝合金等金属补片时，应注意电化学腐蚀问题；（2）外搭接补片胶接法。补片材料多为与母体相同的复合材料层合板，通过胶接与母体结构相连，一般适合厚度不大的层合板的修理，对于较薄的蒙皮结构，其强度恢复率要高于外搭接补片机械连接法；（3）嵌入式补片修理法（挖补法）。该方法通过挖去部分母体材料形成斜坡或台阶，再与预浸料补片或预固化补片胶接，补片铺层与母体相同或略多，该方法不仅能够消除外搭接补片修理引起的偏心弯矩，而且外形恢复较好，是一种永久性修理方法。各种修理方法示意图如图4.2所示.实际中选用何种修理方法，应根据结构完整性、修理条件与修理时限等要求确定。图4.2 复合材料结构修理方法示意图第5章 总结 现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料在各个行业被大量使用，由于这种新型材料有着具有很高的比强度和比模量，耐腐蚀能力强等优势，已经被在汽车，航空等领域受到青睐。然而，复合材料也不是没有缺点的，其分层损伤的缺点对于航空领域来说是毁灭性的打击。因此，如果在使用中提前发现这类失效，及时修补是非常重要的。飞机复合材料损伤检测，是确定复合材料构件损伤修复方案或报废的关键环节。其检