通用飛機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)修理規(guī)范與適航要求

楊亞寧 毛可毅 鄒田春 解 江

（中國(guó)民航大學(xué) ，天津 300300）

通用飛機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)修理規(guī)范與適航要求

楊亞寧 毛可毅 鄒田春 解 江

（中國(guó)民航大學(xué) ，天津 300300）

分析了國(guó)內(nèi)外適航規(guī)章對(duì)通用飛機(jī)復(fù)合材料修理的適航要求，復(fù)合材料膠結(jié)修理基本理論與有關(guān)規(guī)范，復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)損傷后從修理設(shè)計(jì)直到適航批準(zhǔn)流程。

通用飛機(jī)；復(fù)合材料；膠結(jié)修理；適航要求

通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用和維修過(guò)程中，常會(huì)遭受低速?zèng)_擊損傷、離散源損傷、雷擊損傷和環(huán)境侵入損傷等多種類型的損傷。當(dāng)發(fā)現(xiàn)超出可允許損傷限制（ADL）的損傷后，為了使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承載功能得到恢復(fù)，必須立刻實(shí)施修理。對(duì)于通用飛機(jī)層合板結(jié)構(gòu)，常用的修理方法包括螺栓連接修理，膠結(jié)修理和鋪層修理。膠結(jié)修理具有成本低，重量低，無(wú)鉆孔引起的應(yīng)力集中，能獲得較為光滑的氣動(dòng)外形等優(yōu)點(diǎn)，因此是目前通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上普遍采用的修理方式[1]。適航標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)民用航空器提出的最低標(biāo)準(zhǔn)性要求，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理的最終目的是使得飛機(jī)結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)到滿足初始適航要求的狀態(tài)。本文對(duì)復(fù)合材料的膠結(jié)修理的適航符合性問(wèn)題進(jìn)行了研究。

1 通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理適航要求

1.1 通用飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)

從事通用航空活動(dòng)的航空器可以分為飛機(jī)（正常類、實(shí)用類、特技類、通勤類、運(yùn)輸類）、旋翼航空器（正常類、運(yùn)輸類）、超輕型飛行器、輕型運(yùn)動(dòng)航空器、甚輕型飛機(jī)等。根據(jù)通用飛機(jī)不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行條件，其審定要求也是不同[2]。通用飛機(jī)的相關(guān)分類和適航要求可見表1。

表1 通用飛機(jī)分類及適航要求

上述通用飛機(jī)按照對(duì)應(yīng)的適航標(biāo)準(zhǔn)，還可以分為3類，第1類是具有明確適航標(biāo)準(zhǔn)的通用飛機(jī)，即該類通用飛機(jī)具有對(duì)應(yīng)的規(guī)章給出初始適航審定標(biāo)準(zhǔn)，例如正常類、實(shí)用類、特級(jí)類、通勤類飛機(jī)，及正常類和運(yùn)輸類旋翼機(jī)；第2類是通用飛機(jī)沒(méi)有適航審定標(biāo)準(zhǔn)，但具有相關(guān)的運(yùn)營(yíng)要求，例如超輕型飛行器，輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)，滑翔機(jī)等；第3類為不受民用航空規(guī)章限制的航空器，例如業(yè)余自制航空器。從修理要求來(lái)講，上述的第一類通用飛機(jī)在適航要求上比較完善與成熟，相對(duì)安全性標(biāo)準(zhǔn)也更高。

1.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的適航要求

適航標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)提出的要求，目前適航上對(duì)于結(jié)構(gòu)修理問(wèn)題主要以咨詢通告（AC）的形式給出指導(dǎo)。聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布的與通用飛機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)修理相關(guān)的AC包括有AC 20-107B《復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)》，AC 21-26A《復(fù)合材料的質(zhì)量控制與制造問(wèn)題》，AC 145-6《飛機(jī)復(fù)合材料搭接結(jié)構(gòu)維修站點(diǎn)》，AC 65-33《復(fù)合材料維修技術(shù)文件信息的培訓(xùn)/管理方案的制定》和AC 43-214《飛機(jī)復(fù)合材料搭接結(jié)構(gòu)的修理和改裝》等。

針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理方法還取決于修理程度[3]，而修理程度是由結(jié)構(gòu)的損傷嚴(yán)重程度確定的。按照損傷危害性，可將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理分為表2中的A、B、C和D類，對(duì)于這4類修理的符合性措施見表2。此外，必須考慮到重復(fù)載荷對(duì)靜強(qiáng)度的影響。

表2 按損傷危害性分類與符合性措施

2 通用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠結(jié)修理設(shè)計(jì)與規(guī)范

2.1 修理方案設(shè)計(jì)過(guò)程

修理設(shè)計(jì)是一個(gè)多階段的過(guò)程（見圖1），包括依據(jù)膠結(jié)強(qiáng)度準(zhǔn)則評(píng)估可修復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)；計(jì)算所需的粘接長(zhǎng)度和補(bǔ)片尺寸，確定修補(bǔ)片的幾何形狀；檢查修理后結(jié)構(gòu)的完整性；檢查疲勞敏感處，驗(yàn)證修理后結(jié)構(gòu)耐久性；計(jì)算可接受的膠結(jié)缺陷尺寸，確定檢查要求。

圖1 維修設(shè)計(jì)的工藝流程

2.2 結(jié)構(gòu)損傷可修復(fù)性準(zhǔn)則

膠結(jié)修理的一個(gè)最主要的優(yōu)點(diǎn)是膠結(jié)強(qiáng)度可以設(shè)計(jì)成比修理對(duì)象材料在無(wú)缺陷情況下的屈服強(qiáng)度大[4]。一種快速判別結(jié)構(gòu)損傷是否在修理容限內(nèi)的一個(gè)準(zhǔn)則是，如果修理的膠結(jié)強(qiáng)度除上一個(gè)給定的安全系數(shù)后，仍大于修理對(duì)象材料在無(wú)缺陷情況下的屈服強(qiáng)度，則該損傷在修理容限內(nèi)。需要注意的是，不滿足上述準(zhǔn)則并不意味著受損結(jié)構(gòu)是不可修復(fù)的，它只是表明該結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行更深入的修理或者原修理方案需要結(jié)合設(shè)計(jì)通過(guò)具體的分析來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 膠結(jié)面積

粘接面和修補(bǔ)件的剪切應(yīng)力在搭接區(qū)域的兩端達(dá)到最大。若載荷更高，膠結(jié)面會(huì)在兩端呈塑性。為了便于分析，膠結(jié)面一般視為理想的彈塑性，所以塑性區(qū)會(huì)存在于膠結(jié)面的端部（見圖2）。如果將塑性區(qū)設(shè)計(jì)的尺寸足夠大來(lái)承擔(dān)屈服載荷（見圖3），膠結(jié)面的膠結(jié)強(qiáng)度將會(huì)大于母材料。因此需要進(jìn)行具體分析或者對(duì)于次要結(jié)構(gòu)采用這種修理方法。

圖2 粘接接頭粘合劑的假定剪應(yīng)力分布

圖3 彈性區(qū)和塑性區(qū)的維修搭接長(zhǎng)度

3 通用飛機(jī)復(fù)合材料修理方案的適航批準(zhǔn)

當(dāng)FAA批準(zhǔn)的文件或維修手冊(cè)中有給出修理方案時(shí)，應(yīng)用分析和/或試驗(yàn)來(lái)表明該修理方案和技術(shù)會(huì)使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到適航狀態(tài)[5]。維修大綱中必須對(duì)可修理結(jié)構(gòu)部件的損傷形式和修理容限（RDL）進(jìn)行詳細(xì)描述。還必須明確規(guī)定不需修理的可允許損傷限制（ADL）。RDL和ADL均必須基于足夠的分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。對(duì)于設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程中沒(méi)有考慮到的損傷類型和尺寸，一般要求額外的數(shù)據(jù)證據(jù)。某些類型的損傷可能需要專門的外場(chǎng)修理指令和相關(guān)的質(zhì)量控制要求。

對(duì)于超出維修大綱范圍的主要結(jié)構(gòu)修理或更換工作，應(yīng)確保對(duì)維修的驗(yàn)證中能夠開展并獲得初始結(jié)構(gòu)驗(yàn)證所需的大量分析、設(shè)計(jì)、工藝和試驗(yàn)，應(yīng)保存相應(yīng)的驗(yàn)證文件和批準(zhǔn)單，來(lái)支持后續(xù)的維護(hù)工作。

維修中采用的結(jié)構(gòu)膠結(jié)設(shè)計(jì)和工藝步驟應(yīng)表明滿足相應(yīng)要求，其中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題有膠結(jié)材料的相容性、膠結(jié)表面制備（包括烘干、清潔和化學(xué)處理）、固化加熱控制和材料的機(jī)械加工等有關(guān)內(nèi)容。還必須對(duì)紫外線層，結(jié)構(gòu)表面保溫層以及防雷擊特征進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié)論

研究了通用飛機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)，通用飛機(jī)復(fù)合材料修理的適航要求，通用飛機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)修理的可容許修理范圍的確定方法，通用飛機(jī)復(fù)合材料膠結(jié)修理設(shè)計(jì)的規(guī)范，復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)損傷后從修理設(shè)計(jì)直到適航批準(zhǔn)流程。

經(jīng)膠結(jié)修理后的膠結(jié)強(qiáng)度可以比母體材料在無(wú)缺陷情況下的屈服強(qiáng)度大是膠結(jié)修理的優(yōu)勢(shì)，但隨著使用載荷的增加，膠結(jié)面會(huì)在兩端呈塑性，補(bǔ)片膠結(jié)面積的確定應(yīng)該基于該塑形對(duì)應(yīng)部位所承擔(dān)的載荷。

[1] 馮振宇, 鄒田春. 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)合格審定[M]. 北京：航空工業(yè)出版社. 2012：341-347.

[2] 劉明. 通用航空器適航審定淺論[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量. 2012(04)：28-40.

[3] FAA. AC 20-107B Composite Aircraft Structure [S]. 2009.

[4] M.J. Davis. The Development of an Engineering Standard for Composite Repairs[C]. AGARD SMP Specialists Meeting. 1994：2-10.

[5] FAA. AC 145-6 Aircraft Line Maintenance [S]. 1996.

（編輯：勞邊）

V267+.4

C

1003-6660（2015）01-0033-03

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.009

[收修訂稿日期] 2014-09-24