复合材料在飞机上的应用与修理

1、复合材料在飞机上的应用与修理摘 要:随着现代航空业的飞速发展,大量飞机进入了维修高峰期。由于飞机本身的造价非常昂贵,相应地对飞机的维护需用的费用也居高不下。而修理方法是否便捷经济,修理效果是否良好,又决定了是否快速恢复运营,提高飞行安全的重要因素。关键词:复合材料 结构损伤 修理背景和意义:随着现代航空业的飞速发展,大量飞机进入了维修高峰期。由于飞机本身的造价非常昂贵,相应地对飞机的维护需用的费用也居高不下。无论是航空公司还是飞机维修企业都在寻找经济、快速、有效的修理方式,使飞机安全地投入到运营阶段。在日益竞争的商业环境中,飞机停场造成的经济损失将是非常巨大的。而修理方法是否便捷经济,修理效果

2、是否良好,又决定了是否快速恢复运营,提高飞行安全的重要因素。一、复合材料在飞机上的应用复合材料在飞机结构中的应用情况大致可以分为三个阶段:第一阶段是应用于受载不大的简单零部件,如各类口盖、舵面、整流罩、雷达罩、阻力板、起落架舱门等,据统计可减重20%左右。第二阶段是应用于承力大的部件,如安定面、全动平尾、前机身段、机翼等,据估计可减重25% 30%。第三阶段是应用于复杂受力部位,如机身段、中央翼盒等,据估计可减重30%。787飞机采用复合材料减重将达50%。表1民用飞机结构材料重量百分比及选材特点 波音767 80 14 2 3 强度、韧性波音777 70 10 7 10 强度、韧性、腐蚀波音

3、787 20 10 15 50 重量、强度、韧性、腐蚀A300 76 13 4 5 疲劳强度A320 76.5 13.5 4.5 5.5 强度、韧性A340 75 8 6 8 强度、韧性、腐蚀二、飞机复合材料结构特点1.层合结构层合板亦称层压板(laminate、叠层板或实心层压板(solid laminate、整体层压板(monolithic laminate。层合板可制成多种结构形式,并可采用多种工艺方法成形,可设计性强,因此在航空航天飞行器结构中应用十分普遍。层合板是层合结构的基本元素。层合结构系指经过适当的制造工艺,如共固化、二次胶接、机械连接等,主要由层合板形成的具有独立功能的较大的

4、三维结构,如翼面结构的梁、肋、壁板、盒段,机身侧壁以及飞行器部件等。层合板设计是复合材料结构设计中最最关键的设计工作之一,也是复合材料结构设计特有的工作内容。层合板设计主要包括选取合适的铺层角,确定各铺层角铺层的百分比和铺层顺序三方面内容。2.蜂窝夹层胶接结构蜂窝夹层结构通常是由比较薄的面板与比较厚的芯子胶接而成。一般面板采用强度和刚度比较高的材料,芯子采用密度比较小的材料,如蜂窝芯、泡沫芯、波纹板芯等(图1-1。夹层结构具有重量轻,弯曲刚度及强度大,抗失稳能力强,耐疲劳,吸音,隔热等优点,因此在飞行器结构上得到了广泛应用。对结构高度大的翼面结构,蒙皮壁板(尤其是上翼面壁板采用蜂窝夹层结构取代

5、加劲板,能明显减轻重量;对于结构高度小的翼面结构,如操纵面,采用全高度夹层结构代替梁肋式结构,能带来明显的减重效果。以复合材料层合板为面板的夹层结构,由于材料的相容性,目前普遍采用Nomex蜂窝芯子。面板胶蜂窝芯面板夹层结构LW TTWL蜂窝芯子ss图1-1 蜂窝夹层结构示图胶粘剂将面板和芯子胶接成整体,传递面板和芯子之间的载荷;芯子支持面板承垂直于面板的压缩应力,并能防止面板发展轴压引起的屈曲,此时芯子承受压缩和剪切载荷。3.金属复合层胶接结构利用胶接技术将纤维复合材料与铝合金材料结合起来形成一种新型的结构材料纤维铝合金复合层板胶接结构。目前这种结构件在飞机上的应用还不是很多。不久的将来,铝

6、基复合材料可能得到较广的应用。三、复合材料结构修理分析结构可修理是飞机结构交接使用的重要技术保障措施。没有修理技术支持的飞机结构是无法接受的。结构修理包括:结构可修理性设计,修理方法(含修理设备和工具,修理材料的供应和储存、修理成本等问题。目前,绝大多数的飞机上都采用了复合材料结构件。随着飞机大修周期的到来,许多复合材料结构件的维修量也日益增加。由于国外航空业的发展比国内早几十年,国外对复合材料结构的维修水平,维修技术比较完善,如美国波音飞机制造厂,德国汉莎技术公司,美国诺顿公司等,由于技术、资金雄厚,设备完善,对复合材料结构的修理水平相当高。虽然国外航空维修企业对复合材料结构的修理水平高于国

7、内,但是如果国内的维修水平不提高,只是依赖于国外市场,就会大大延长飞机的维修周期,增加运营成本。因此,近年来国内也陆续出现了一些维修企业,(如北京、广州、深圳等地 ,国内的维修企业在逐步提高自主修理水平的过程中也应充分借鉴国外的修理技术。一般蜂窝结构使用缺陷/损伤大多由外来物冲击或恶劣环境因素造成的,形成多种多样,不同的损伤形成应由不同的修理方法。一般修理程序为: 检查确定损伤范围确定修理方案实施修理恢复性能。目前蜂窝结构修理的主要问题是:1.检查确定修理范围,目前检查损伤的常用方法有:(1目视检查:查检损伤位置,损伤面积和损伤程度;(2敲击法:检查和确定脱胶和分层的范围;(3超声法:检查和确

8、定脱胶和分层的范围,确定内部结构的位置;(4X射线法:检查和确定内部结构的损伤程度,潮气进入和污染的程度等。复合材料缺陷或损伤的类型很复杂,单靠一、两种测技术实际上很难将全部缺陷检测出来,因此在工程实践中,通常采用两种或两种以上不同的检测方法对缺陷与损伤进行检测,以便互相补充和验证。表2-1 各种检测方法可检的缺陷与损伤 注:l一可检表面损伤;2可能检测,但不可靠;3一检测结果可靠。2.加热固化方法:(1热压罐法:热压罐法是真空袋热压罐法简称,是飞机结构高质量复合材料构件的主要成形方法。国外多采用这种方法,由于热压罐的成本较高,目前国内采用本法修理的比较少,该方法配有先进的计算机控制系统,能对

9、固化过程中的温度,压力及真空度进行严格监控,以保证大面积金属复合材料粘接修理的质量。 (a (b图2-1 热压罐法成型工艺示图(a 真空袋组合系统;(b 热压罐固化装置(2电热毯法:该方法是国内外最常用的简便方法,它同样能对胶接工序中的固化温度,压力和时间进行控制,但是只适用于面积较小的结构损伤,必要时需要制作一些模具作为辅助工具。复合材料结构修理的一般要求:a.满足结构强度,稳定性要求,即恢复结构的承载能力,在压剪载荷下不失稳。b.满足结构刚度要求(包括挠度变开,气弹特性和载荷分布及传递路线等。c.满足耐久性要求(包括疲劳、腐蚀、环境影响等诸方面。d.修理增重小,操纵面等动部件满足质量平衡要求。e.气动外形变化要小，即保证原结构表面光滑完整。 f.修理所用时间要短，以满足使用需要。 g.修理费用成本要低。 根据损伤情况，以及可能提供的修理条件（修理经验和修理材料、设备等