复合材料结构低能量冲击损伤与外场维护.doc

复合材料结构低能量冲击损伤与外场维护 驻320厂军事代表室 廖振魁一、 引言先进复合材料是一种各向异性的材料，它由两种或多种性质不同的材料组成，主要组分是增强材料与基体材料，现国内广泛采用的是以碳纤维为增强材料、以环氧树脂为基体而组成的复合材料层压结构；以层压板为面板，以蜂窝夹芯的复合材料夹层结构。复合材料以其各向异性、高的比强度、比模量（高的比强度、比模量可使飞行器结构大幅度减轻重量）、良好的抗疲劳特性及抗腐蚀性能等优点，正在航空领域得到愈来愈广泛的应用，复合材料与全机的重量之比往往是衡量该飞行器先进与否的主要指标之一。进入90年代后，国内越来越多以复合材料为主要承力结构的飞行器陆续地装备了部队，如Z9直升机机体及桨叶、JL8基础教练机垂直尾翼、JH7A的水平尾翼等部件都采用了复合材料。然而，事物都是一分为二的，较之金属，复合材料也有其弱点。如层间强度低，主要表现在层间承载能力低，层与层之间仅仅靠层间界面承载，层间界面一旦破坏即层间分层，就会使复合材料提前失效。低能量冲击会造成层间分层，对复合材料结构而言，这是致命性的。现在大部分维护新型复合材料结构飞机（如JL8）的机务人员，都是从维护金属结构飞机改装过来的，对维护复合材料结构缺乏一定的维护经验。因此，维护复合材料为主要承力结构的飞机时，应特别注意复合材料结构低能量冲击损伤！二、 冲击损伤简介冲击引起的飞机复合材料结构损伤按其冲击能量大小可分为两类。一类是高能量损伤（往往也是高速冲击损伤），例如子弹、炮弹、高速飞出的发动机叶片、鸟撞等外来物的冲击造成的损伤，这种损伤往往是穿透性的并伴随有一定范围的局部分层。上述这些损伤均可目视，能及时发现并及时修理或更换受损部件，可以说这一类的损伤并不可怕。另一类是低能量冲击损伤，在日常维护使用中，遇到的损伤大多数情况都是这一类型。它的产生往往是由于维护不当或意外因素造成的，如，生产或维修工具的掉落；叉车、卡车和工作平台这一类维护设施的撞击；维护人员有意或无意中产生的粗暴脚踢脚踩；起飞、着陆时从跑道上卷起的石头的撞击，在地面或空中飞行时冰雹的撞击。这一类损伤往往从受冲击的表面难以察觉、人们容易忽视，但复合材料结构内部很可能已产生或将会产生大范围的损伤，这些损伤未得到及时的修复，往往会带来灾难性的后果。三、低能量冲击损伤机理及强度分析现国内飞机复合材料构件主要采用的是层压板结构和夹层结构，层压板结构是由若干层不同铺向角的单层（称为铺层，层压板中的最基本单元）加热加压叠合而成，每单层是由树脂将纤维粘合而成只有经向纤维的无纬布；夹层结构通常是由比较薄的层压板作面板，比较厚密度小的材料作夹芯胶接而成。如蜂窝夹层结构、泡沫夹层结构，现普遍采用的是NOMEX纸蜂窝夹层结构（如JL8方向舵采用的便是此类结构）。本文主要对上述两结构进行低能量冲击损伤分析。1、层压板低能量冲击损伤分析我们知道当金属结构受低能量冲击后往往只在金属表面形成引起一些小凹坑，对金属结构的强度影响不大，有时还可起到构件强化的效果。但层压板复合材料由于其层间强度很低，在受到低能量冲击后一般都会引起内部局部分层、层间的滑动及纤维的断裂，而在层压板的表面仅仅存在浅表的凹痕或划伤（如图一所示），难以用肉眼加以判断。冲击受损后的复合材料，在压缩、层间剪切载荷和剪切载荷作用下均显得非常脆弱，特别是在压缩载荷作用下，分层非常容易进一步扩展（如图二所示）。冲击受损后的复合材料压缩静剩余强度一般只有无损强度的40%左右，远比金属受到低能量冲击造成的损伤严重，而且在周期循环载荷作用下还将再减少其剩余强度的40%左右。因此，层压板复合材料结构一旦产生低能量冲击损伤后，在周期循环载荷的作用下，是非常容易产生结构失效的。2、夹层复合材料低能量冲击损伤分析由于夹层复合材料层压面板比较薄（一般为0.5-1.5mm），在受到低能量撞击后易产生上述或穿透性损伤。在一定的高度下，往往一把起子或一把小榔头等工具自由掉落到夹层复合材料的表面，便会产生类似的损伤。当面板出现小范围分层及穿透性破损后，雨水便会从损伤处进入蜂窝夹芯中。其危害有二，其一，在雨水浸泡中，面板与蜂窝夹芯的胶接强度大为削弱。其二，一旦蜂窝孔内注满了雨水后，当飞机在高空飞行时，由于气温骤降，蜂窝孔内的雨水将会结冰，而结冰过程伴随着体积的膨胀，这将产生使面板与夹芯撕裂的力量，使面板与夹芯的分离及面板的损伤加大。其破坏后的区域便可贮存更多的雨水，而后更加加速复合材料夹芯结构的破坏，这样便形成了恶性的循环，用不了多久此结构便会因失效而破坏。而破坏前，夹层复合材料表面却看不出严重损坏的迹象。一旦夹层结构较薄的层压面板与夹芯分离后，夹层结构基本上不能承受压缩及气动载荷，在压缩、气动载荷下，会加速面板与夹芯的分离，分离到一定的程度并在气动吸力的作用下，往往整个面板都会被强大的气流所撕掉。四、飞机复合材料结构的外场维护由于低能量冲击损伤的多发性、隐蔽性和危险性，飞机复合材料结构的耐久性/损伤容限设计研究的重点已更多地集中于冲击损伤而非疲劳破坏。耐久性/损伤容限设计思想贯穿于飞机服役的全过程，在寿命期内必须进行必要的维护与维修工作，飞机的结构寿命才能达到设计规定的指标要求。因此，我们在维护复合材料结构的飞机时，若发现有低能量冲击损伤的迹象，应马上向有关部门报告，并作出相应技术处理。另外，还必须特别注意下述几点：1、应非常清楚自己维护的飞机哪些结构部位采用了复合材料，以便在维护时加强注意。2、避免有意无意的人为损伤，彻底改变维护金属飞机时养成的不良习惯。禁止脚踩脚踢复合材料构件，装卸构件时，注意不要使构件与其它物品相碰；严禁用螺丝起子手柄敲击复合材料，以判断故障或敲打多余物；严禁用锐器在构件表面乱划。3、机务工作时，注意不要让维护工具掉落到复合材料构件上；在拆卸复合材料构件时，应轻拿轻放，避免碰撞复合材料构件。4、在空中或地面遇到冰雹后，必须对复合材料构件进行全面检查。检查的重点应集中在复合材料构件表面浅表凹陷、划伤、掉漆部位。5、对已产生损伤的部位，或怀疑产生损伤的部位，应进行目视检查构件的内外表面。对目视不能判断的，可采用敲击法进行检查（此法非常适用于夹层复合材料面板分层的检查），或进一步用超声仪进行特种损伤检查，以断定损伤的部位及