民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航維修與驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

楊文鋒,張吉武,唐慶如

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307)

民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航維修與驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

楊文鋒,張吉武,唐慶如

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307)

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在民機(jī)中的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致各種類型的損傷,民機(jī)復(fù)合材料的適航維修是保持和恢復(fù)航空器固有可靠性與安全性的基本途徑。以民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航維修與驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)為基礎(chǔ),以科研項(xiàng)目為依托,從基礎(chǔ)理論研究及工程應(yīng)用角度對(duì)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航維修與驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的背景及必要性、基本框架、設(shè)備需求及其用途、協(xié)同共享機(jī)制與實(shí)施成效4個(gè)主要方面進(jìn)行了闡述及說明,以期對(duì)民機(jī)復(fù)合材料維修相關(guān)的科學(xué)研究及工程應(yīng)用提供有價(jià)值的借鑒與參考。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè);民機(jī)復(fù)合材料;適航維修;適航驗(yàn)證

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的背景及必要性

1.1 建設(shè)背景

民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)與損傷評(píng)估,維修原理、方法及工藝,維修工具與設(shè)備,維修效果驗(yàn)證與評(píng)估等與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)亦有不同,而維修的適航審定也更加復(fù)雜。美國國家航空航天局(NASA)在上世紀(jì)90年代指出,阻礙復(fù)合材料在飛行器上進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的主要障礙之一是復(fù)合材料的維修問題[1]。美國商用飛機(jī)復(fù)合材料修理委員會(huì)(CACRC)于2007年也認(rèn)為,有關(guān)民機(jī)復(fù)合材料維修的很多關(guān)鍵問題多年來仍沒有得到全面徹底解決[2]。因此,復(fù)合材料在民機(jī)(包括商用飛機(jī)和通用飛機(jī))中的大量使用直接導(dǎo)致當(dāng)前對(duì)高效可靠的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)先進(jìn)維修技術(shù)及維修基礎(chǔ)理論的迫切需求。有鑒于此,以歐美為代表的航空發(fā)達(dá)國家在航空器上大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的同時(shí),也在不斷探索和深入研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)及維修方法、工藝、設(shè)備、驗(yàn)證、適航審定的相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)[3],并以之為基礎(chǔ),形成飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修大綱、方案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。

我國現(xiàn)役民機(jī)普遍由空客及波音等國外航空公司制造,并由制造廠家制訂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修標(biāo)準(zhǔn)和維修方案,其核心技術(shù)長期被國外航空發(fā)達(dá)國家壟斷[4]。在民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修方面,中國民航尚停留在嚴(yán)格按國外航空器生產(chǎn)廠家制訂的飛機(jī)修理手冊(cè)、結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)及部件修理手冊(cè)等技術(shù)資料進(jìn)行維修操作及適航放行的應(yīng)用層面。雖然在民機(jī)復(fù)合材料維修領(lǐng)域已經(jīng)積累了一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),但對(duì)于制訂民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修標(biāo)準(zhǔn)、維修方案的基礎(chǔ)理論缺乏系統(tǒng)研究,核心技術(shù)儲(chǔ)備嚴(yán)重不足。

1.2 必要性分析

面對(duì)目前我國民航機(jī)型種類及數(shù)量快速、持續(xù)增長的行業(yè)態(tài)勢(shì),以及國產(chǎn)大飛機(jī)研制中可維修性設(shè)計(jì)和未來的航線運(yùn)營對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的切實(shí)需求,開展民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修相關(guān)基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究,攻克復(fù)合材料維修所涉及的關(guān)鍵、共性基礎(chǔ)問題,對(duì)突破國外技術(shù)壟斷,推動(dòng)我國民機(jī)復(fù)合材料維修技術(shù)的發(fā)展和快速提升,促進(jìn)我國民機(jī)復(fù)合材料維修體系的科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)具有重大的戰(zhàn)略意義。

因此,有必要建立民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航維修與驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(以下簡稱創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái))。在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案建設(shè)、相關(guān)制備、測(cè)試、表征儀器設(shè)備置備的基礎(chǔ)上,開展與民機(jī)復(fù)合材料維修相關(guān)的損傷檢測(cè)與評(píng)估、維修實(shí)施與測(cè)試表征、維修驗(yàn)證與適航審定相關(guān)的研究與實(shí)踐,以便獲得相關(guān)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)成果,并以此指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本框架

民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修實(shí)際上是一個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)“再設(shè)計(jì)、再制造、再測(cè)試、再審定”的過程。根據(jù)民機(jī)復(fù)合材料維修所涉及的整個(gè)技術(shù)流程,典型的維修流程可劃分為維修前提、維修核心與合格性鑒定3個(gè)主要部分,如圖1所示。

圖1 民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修典型流程

民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的前提主要包括損傷檢測(cè)和損傷評(píng)估;維修的核心和關(guān)鍵包括維修設(shè)計(jì)、維修實(shí)施和維修驗(yàn)證;合格性鑒定指維修后的適航驗(yàn)證與審定。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本框架即是依據(jù)典型維修流程進(jìn)行劃分,每個(gè)框架模塊主要面向特定方向的基礎(chǔ)研究或工程應(yīng)用研究。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所包括的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容框架包含以下幾個(gè)方面。

2.1 無損檢測(cè)技術(shù)及便攜式檢測(cè)工具的開發(fā)

民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用過程中的各種損傷的檢測(cè),除了依據(jù)肉眼判斷及簡單敲擊等方法外,多數(shù)依賴于有效的無損檢測(cè)工具。無損檢測(cè)技術(shù)的研究、無損檢測(cè)圖像的解譯、便攜式檢測(cè)工具的開發(fā)可以顯著提高無損檢測(cè)效果及效率。根據(jù)無損檢測(cè)的原理,民機(jī)復(fù)合材料無損檢測(cè)的類型主要包括X射線、超聲探傷、紅外熱成像及渦流探傷設(shè)備[5]。對(duì)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)關(guān)鍵要考慮各種探傷原理的適用性、局限性、有效性和效率、以及探傷影像與復(fù)合材料實(shí)際損傷類型與損傷程度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性,以便從外在結(jié)果即可準(zhǔn)確判斷損傷、評(píng)估損傷,為復(fù)合材料適航維修提供重要的依據(jù)。

2.2 民機(jī)復(fù)合材料維修設(shè)計(jì)與分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的維修方案設(shè)計(jì)與分析是保證維修后的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠成功恢復(fù)適航狀態(tài)的關(guān)鍵,建立包含結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征的高精度、參數(shù)化維修設(shè)計(jì)分析模型,并且在分析中采用真實(shí)維修工藝條件下的材料和界面性能參數(shù)是保證維修設(shè)計(jì)高精度、高可靠性的關(guān)鍵,對(duì)于提升維修設(shè)計(jì)的效率、降低實(shí)際維修成本具有重要的工程價(jià)值。通過力學(xué)性能測(cè)試對(duì)復(fù)合材料的諸多力學(xué)參數(shù)進(jìn)行表征是復(fù)合材料維修設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ),并以此作為維修設(shè)計(jì)與分析的輸入?yún)?shù)或邊界條件。力學(xué)參數(shù)的表征涉及不同噸位的力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)夾具、靜/動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。

2.3 民機(jī)復(fù)合材料維修固化行為及監(jiān)測(cè)

復(fù)合材料維修固化是維修實(shí)施與完成的必要程序,外場維修一般采用烤燈或微波加熱的方式,而室內(nèi)完成固化過程為離位修理,主要設(shè)備是真空袋熱補(bǔ)儀。民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)適航維修與驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可針對(duì)性地開展復(fù)合材料維修固化動(dòng)力學(xué)與固化模擬方面的研究。研究維修條件下復(fù)合材料固化行為,探明固化過程中材料微觀結(jié)構(gòu)(微觀形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)等)與宏觀力學(xué)性能(強(qiáng)度、剛度)的關(guān)聯(lián)機(jī)制,澄清“維修工藝—微觀結(jié)構(gòu)—材料性能”的演變規(guī)律,對(duì)于保證和提高維修質(zhì)量具有重要的工程意義。

2.4 維修界面粘接及其機(jī)理

維修界面對(duì)航空復(fù)合材料維修效果的影響極為重要,界面粘接得好壞幾乎決定了最終的維修質(zhì)量。然而,由于維修界面的表征主要偏向微觀層面,而且涉及界面粘接的機(jī)理研究。因此,界面的研究很大程度上依賴于微觀測(cè)試與表征的儀器設(shè)備。針對(duì)復(fù)合材料維修結(jié)構(gòu)中的新老膠接界面及共固化界面,在深入剖析界面微區(qū)的形貌結(jié)構(gòu)特征、物理/化學(xué)環(huán)境及微區(qū)力學(xué)行為的基礎(chǔ)上,結(jié)合界面膠接理論研究維修新老界面的界面結(jié)合機(jī)理,建立界面微區(qū)的細(xì)節(jié)分析模型,從界面微區(qū)的本征性能角度研究界面微觀力學(xué)行為對(duì)界面宏觀力學(xué)性能的內(nèi)在影響規(guī)律,實(shí)現(xiàn)對(duì)維修參數(shù)的指導(dǎo)與優(yōu)化。界面區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的表征主要涉及表面與界面微觀結(jié)構(gòu)、微區(qū)力學(xué)、界面化學(xué)結(jié)構(gòu)信息及能量與電荷信息的測(cè)試分析。

2.5 維修驗(yàn)證與適航審定

根據(jù)適航規(guī)章、咨詢通告及相關(guān)技術(shù)條款要求,將分析計(jì)算結(jié)果、試驗(yàn)計(jì)劃、維修實(shí)施過程及維修效果驗(yàn)證(主要采用分析計(jì)算方法(MC2)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)(MC4)等方法對(duì)復(fù)合材料維修效果進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證)等數(shù)據(jù)及文件報(bào)適航當(dāng)局審定,并對(duì)具體技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行解釋,協(xié)助完成民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷維修的適航符合性驗(yàn)證與審定。

2.6 教學(xué)輔助

目前高校中教學(xué)實(shí)驗(yàn)與科研實(shí)驗(yàn)結(jié)合得越來越緊密[6-8],我校的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也同時(shí)兼顧飛機(jī)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、材料力學(xué)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與維修、復(fù)合材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、航空材料與腐蝕等課程的演示教學(xué)及本科生論文的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室的材料力學(xué)測(cè)試與表征儀器可開展金屬材料及復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、零部件和小型結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、疲勞、振動(dòng)與環(huán)境實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)民機(jī)復(fù)合材料維修與驗(yàn)證所涉及的主要技術(shù)流程與工程應(yīng)用需求,結(jié)合項(xiàng)目需求及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè),依托創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目前正在開展的工作,可滿足典型維修流程所涉及的幾乎所有基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用需求。

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備需求及其用途

根據(jù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將從材料制備與加工、實(shí)驗(yàn)室改造、材料與部件處理、理化測(cè)試與表征、力學(xué)性能測(cè)試與表征、材料無損檢測(cè)6個(gè)方面提出對(duì)設(shè)備、儀器的具體需求,并明確其用途。各類儀器設(shè)備的分類、名稱及用途的說明見表1。

表1 航空復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室設(shè)備需求

4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的協(xié)同共享機(jī)制與實(shí)施成效

4.1 協(xié)同共享機(jī)制

我校成立的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要面向科研項(xiàng)目的研究工作,并輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究成果可為工程應(yīng)用提供重要的基礎(chǔ)理論支撐,但其工程應(yīng)用應(yīng)緊密結(jié)合企業(yè)與科研院所[9-12]。因此,結(jié)合我校民機(jī)復(fù)合材料維修協(xié)同創(chuàng)新中心以及科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的申報(bào),我校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已與行業(yè)內(nèi)兩所高等院校、兩所研究機(jī)構(gòu)、兩家企業(yè)單位建立協(xié)同共享機(jī)制,圍繞行業(yè)需求,力求打造一個(gè)新型的工程、科研、教學(xué)一體的研究平臺(tái)。研究中心以民機(jī)復(fù)合材料維修應(yīng)用技術(shù)及理論研究為基礎(chǔ),探索民機(jī)復(fù)合材料快速、低成本及環(huán)境友好的維修新技術(shù)。面向我國民航行業(yè)需求,尤其針對(duì)國產(chǎn)民機(jī)復(fù)合材料及各通用飛機(jī)復(fù)合材料的超手冊(cè)維修,開發(fā)及編寫適用的結(jié)構(gòu)維修手冊(cè)及相應(yīng)的適航驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn),以支持和引領(lǐng)我國民航行業(yè)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4.2 實(shí)施成效

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過機(jī)制和體制改革,匯聚了一批國內(nèi)從事復(fù)合材料及其維修相關(guān)的優(yōu)秀人才,形成了能夠解決復(fù)合材料維修與驗(yàn)證、適航審定相關(guān)問題的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì);實(shí)現(xiàn)了人員合理流動(dòng),跨學(xué)校和跨領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)協(xié)同能力明顯增強(qiáng);提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量,培養(yǎng)了一批能夠從事復(fù)合材料維修研究的人才;承擔(dān)了國家、地方的重大研發(fā)任務(wù),有序推進(jìn)了民航維修事業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;改革了管理體制和運(yùn)行機(jī)制,初步實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)、基地的共享及人才、設(shè)備、成果、信息等資源的整合。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自建設(shè)以來取得了一定成果。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的科研團(tuán)隊(duì)通過交叉融合,獲得國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、省部級(jí)重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助;獲得主管部級(jí)機(jī)構(gòu)及所在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)資金資助。在各參與單位的大力支持下,在國家和省部級(jí)項(xiàng)目、橫向項(xiàng)目和學(xué)科建設(shè)的支持下,圍繞著擬定的科學(xué)創(chuàng)新任務(wù)等開展前沿科學(xué)與工程應(yīng)用研究,目前運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié)束語

面對(duì)我國在復(fù)合材料維修領(lǐng)域基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備不足,工程應(yīng)用知其然而不知其所以然的現(xiàn)狀,有必要且急需構(gòu)建復(fù)合材料維修領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，以作為復(fù)合材料維修工程實(shí)踐的基礎(chǔ)與支撐。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)正是前瞻性地應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)實(shí)需求的成果。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為民機(jī)復(fù)合材料維修的理論研究與工程應(yīng)用研究提供重要的條件。

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Construction of innovative experiment platform for airworthy repair and verification of civil aircraft composite structure

Yang Wenfeng,Zhang Jiwu,Tang Qingru

(Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan 618307,China)

Various types of damage have been generated from the application of fiber reinforced resin matrix composite in civil aircraft. The relative airworthy repairs have been adopted to keep and restore the intrinsic reliability and safety. From the points of fundamental theories and engineering application,combining research projects,this paper illustrates the following 4 aspects of innovative experiment platform construction on airworthy repair and verification of civil aircraft composite structure: the background and necessity,the primary frames,the equipment requirements and purpose,and the collaboration and share mechanism and performance. This paper aims to contribute valuable references for scientific research and engineering application in the field of civil aircraft composite repairs.

construction of experimental platform;civil aircraft composite;airworthy repair;airworthy verification

2014- 05- 30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NSFC);民航聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1233202、U1333201)；民航局科技項(xiàng)目重大專項(xiàng)(MHRD201240)

楊文鋒(1979—)，男，湖北孝感，博士，副教授，主要從事復(fù)合材料維修、航空安全與適航管理的教學(xué)與科研.

E-mail：ywfcyy@163.com

V267;TB332

A

1002-4956(2015)1- 0104- 04