現(xiàn)代民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)MSG—3分析研究

劉素娟　鐘仁參　晏震乾

摘要：目前世界上先進(jìn)客機(jī)的復(fù)合材料用量約為50%，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修的重要性因此凸顯出來。MSG-3的結(jié)構(gòu)分析程序是目前最常用的維修任務(wù)分析工作。文章在此基本上研究了民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修大綱任務(wù)，改進(jìn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修分析流程圖和維修要求流程圖，確定了專門適用于民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修流程圖，同時(shí)設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的MRBR流程。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；MSG-3；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；維修大綱；結(jié)構(gòu)分析程序 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：V214 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.004

復(fù)合材料在現(xiàn)在民機(jī)上的運(yùn)用，可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重25%左右，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本減少22.5%左右，所以復(fù)合材料用量高的民機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)成本以及飛行運(yùn)行時(shí)的燃油損耗都會(huì)大幅度降低，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代民機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛。同時(shí)，復(fù)合材料因其特殊的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性質(zhì)，在飛機(jī)停場或者運(yùn)行的過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，為了提高飛機(jī)的安全性和持續(xù)適航性，就需要制定高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的維修任務(wù)。

MSG-3是現(xiàn)有制定飛機(jī)維修大綱的指導(dǎo)思想，它的核心是以可靠性為中心的維修性（RCM）分析方法來制定維修大綱，已經(jīng)普遍應(yīng)用于現(xiàn)代民用飛機(jī)的維修上。本文在MSG-3邏輯分析方法制定的結(jié)構(gòu)預(yù)定維修/檢查要求基礎(chǔ)上，引入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，通過邏輯推理和信息整合，改進(jìn)了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)預(yù)定維修/檢查要求流程圖，從而建立了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修流程圖，為現(xiàn)代民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修大綱的制定打下基礎(chǔ)。

1 基于MSG-3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修分析流程

1.1 MSG-3介紹

MSG-3是制定民用飛機(jī)維修大綱的參考性和指導(dǎo)性文件。根據(jù)局方的要求，應(yīng)將最新MSG邏輯流程應(yīng)用于民用飛機(jī)的維修大綱制定中。例如制定一份維修審查委員會(huì)報(bào)告，MSG-3的主要目的是便于制定初始狀態(tài)的預(yù)定性維修大綱。根據(jù)航空器審定運(yùn)行能力的范圍和要求，需要在分析流程里確定全部預(yù)定性維修工作和間隔。

用最少的實(shí)際費(fèi)來保證部件安全運(yùn)作是MSG-3的主要目的，同時(shí)在確定目標(biāo)的過程中，要弄清飛機(jī)的安全性和可靠性水平的缺陷是維修大綱不能改變的。維修大綱在正常狀態(tài)下的實(shí)施只能預(yù)防這些固有特性的惡化，加入飛機(jī)的這些固有特性出現(xiàn)異常，一定要采用工程方面的行動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。

2009年修訂的MSG-3是現(xiàn)有的最新版本，利用該版本的基本核心原理制定的維修大綱主要包含系統(tǒng)/動(dòng)力裝置、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、區(qū)域檢查、閃電/高強(qiáng)度輻射場這四個(gè)部分。相應(yīng)的MSG-3分析的基本方法也分為這四個(gè)部分的內(nèi)容。每個(gè)部分都包含各自的邏輯決斷圖或程序以及相應(yīng)的解釋性內(nèi)容。

用最新修訂的MSG-3原理制定的維修大綱包括四個(gè)主要部分，即系統(tǒng)/動(dòng)力裝置部分（包括部件、附件和輔助動(dòng)力裝置）、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部分、區(qū)域檢查、閃電/高強(qiáng)度輻射場部分。與之相對(duì)應(yīng)，MSG-3的分析方法也分成這四個(gè)部分。每一部分都包含有各自的解釋性內(nèi)容和相應(yīng)的邏輯決斷圖或程序，可以相互獨(dú)立使用。其中，關(guān)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)部分的MSG-3分析流程如圖1所示：

圖1 MSG-3結(jié)構(gòu)邏輯流程

目前，MSG-3已經(jīng)快速成為民用航空維修領(lǐng)域任務(wù)分析的支柱，它強(qiáng)調(diào)的是以可靠性為核心的維修/維護(hù)，然而很多民用飛機(jī)的制造商、飛機(jī)營運(yùn)人以及修理廠家對(duì)此還是保持反對(duì)態(tài)度，他們認(rèn)為在定期維修時(shí)對(duì)部件進(jìn)行更換，要比定期檢測以及只在必須時(shí)才考慮更換部件的方式更為安全有效。

1.2 維修要求確定

因?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)本身的特性，結(jié)構(gòu)維修大綱里復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的評(píng)估流程與金屬材料結(jié)構(gòu)的評(píng)估流程是不同的。在MRB結(jié)構(gòu)工作組流程中，在對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行MSG-3分析的同時(shí)制定維修要求時(shí)，依據(jù)“損傷無擴(kuò)展”的設(shè)計(jì)理念，來驗(yàn)證對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，與疲勞損傷（FD）有關(guān)的分析是不要求的，但需要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)展開環(huán)境損傷（ED）和偶然損傷（AD）的分析研究。

偶然損傷（AD）評(píng)級(jí)根據(jù)三個(gè)方面：損傷的及時(shí)探測性、偶然損傷敏感性和損傷后剩余強(qiáng)度。環(huán)境損傷（ED）依照損傷敏感性和及時(shí)探測性來評(píng)估其等級(jí)。

將上述評(píng)斷出的環(huán)境損傷（ED）和偶然損傷（AD）的等級(jí)，再與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等級(jí)相結(jié)合，然后將這三組信息進(jìn)行整合分析并計(jì)算，這個(gè)計(jì)算結(jié)果就是折算后的環(huán)境損傷等級(jí)，從而最終得到了檢查工作內(nèi)容和檢查間隔，因此也確定了最終的檢查要求，如圖2所示：

圖2 確定復(fù)合材料維修要求簡化流程

圖2的檢查間隔主要包括重復(fù)檢查間隔值和檢查門檻值，根據(jù)圖2可以將這些值都計(jì)算出來。同時(shí)檢查工作分為詳細(xì)檢查、一般目視檢查和特殊詳細(xì)檢查。這些工作的具體展開也將通過圖2中的要求。

1.3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修MSG-3分析流程

飛機(jī)制造國適航管理部門審批過的MRB以及飛機(jī)制造商制定的MPD是航空公司等運(yùn)營人最終確定維修方案的依據(jù)。MRB中規(guī)定的維修要求在維修方案的初始制定過程中必須體現(xiàn)出來。

具體操作有：在確定飛機(jī)部位和區(qū)域后，接著確定復(fù)合材料結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，而不是傳統(tǒng)流程中籠統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。當(dāng)進(jìn)行到按SSI分類列表這一步后，因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)確定了是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，所以這里就不存在傳統(tǒng)流程中的考慮SSI是否是損傷容限項(xiàng)目，從而直接到下一步進(jìn)行項(xiàng)安全壽命分析，如圖3所示：

圖3 MSG-3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)邏輯流程

2 檢查方式及方法的確定

2.1 檢查方式的確定

當(dāng)結(jié)束對(duì)結(jié)構(gòu)損傷部件進(jìn)行全面的檢查以及對(duì)損傷程度和損傷范圍制定無誤的評(píng)定后，方可確定維修方案。GV/GVI、DI/DET和SI/SDI是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷三項(xiàng)主要檢查方法。根據(jù)檢查的結(jié)構(gòu)形式、損傷類型、損傷的可接近性質(zhì)等因素以及可實(shí)施性、實(shí)施的難易性來確定選取何種檢查方式。根據(jù)GV/GVI的內(nèi)容來觀察內(nèi)部或外部區(qū)域，從而發(fā)現(xiàn)不正常的跡象，尋找到明顯的故障或者損傷。此類的檢查常見應(yīng)該是在能夠身體接觸的范圍內(nèi)開展的，除非有相關(guān)內(nèi)容明確規(guī)定了。如果提供了必要的工作臺(tái)等設(shè)備，在拆卸或者打開維修口蓋、門的條件下，可能會(huì)更充分地接近檢查區(qū)域范圍。DI/DET的實(shí)施過程中可以要求利用復(fù)雜的接近手段以及在表面相對(duì)清潔的情況下開展，同時(shí)還可以借助常見的檢查工具。SI/SDI的實(shí)施條件相對(duì)要復(fù)雜些，有的時(shí)候需要借助特殊的檢查設(shè)備和技術(shù)，甚至對(duì)檢查對(duì)象的接近性和清潔程度有嚴(yán)格的要求。

2.2 檢查方法的確定

選取正確的檢查方式主要根據(jù)以下因素：被檢測對(duì)象的損傷類型及范圍、復(fù)合材料的幾何形狀以及結(jié)構(gòu)形式。在現(xiàn)代民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的損傷檢查的主要方式見表1：

表1 檢查方法及使用范圍表

序號(hào) 檢查方法 使用范圍

1 目視檢測法 檢測損傷位置、損傷面積和損傷程度，采用目視檢測法

2 敲擊法 檢測分離、脫膠、基體軟化和某些裂紋采用敲擊法

3 超聲法 檢測孔隙含量、分層、層間疏松、膠結(jié)劑氣孔和疏松、裂紋以及夾雜等采用超聲法

4 軟X射線法 檢測夾層板中蜂窩芯和膠結(jié)劑中的損傷和缺陷以及夾雜等采用軟X射線法

5 激光全息法 檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)近表面的纖維斷裂、基本裂紋和分層采用的是激光全息法

6 聲諧振檢測法 同時(shí)，檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的疏松、氣孔和分層還可以用聲諧振檢測法

對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件損傷的處理方式的主要步驟：首先徹底檢測損傷部件的受損程度和范圍，然后根據(jù)部件的不同損傷來評(píng)估具體的處理程序，最終完成整個(gè)部件損傷的處理。

3 維修大綱制定

在MSG-3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，將上述最終確定的檢查方法和計(jì)算得出的檢查間隔等內(nèi)容進(jìn)行綜合分析評(píng)估，同時(shí)考慮每種檢查任務(wù)的可接近性方式，最后可以得到預(yù)定檢查復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的分析內(nèi)容，這些是可以作為維修大綱的重要內(nèi)容的，并提交給工業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)（ISC），然后由ISC確定維修大綱建議書（MRBRP），提交給航空制造商，同時(shí)根據(jù)MOD、MRBR等，MS最終隨之形成。具體流程如圖4所示：

圖4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)MRBR制定機(jī)構(gòu)和流程

4 結(jié)語

維修大綱的制定涉及到方法、策略、經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)等方面是一個(gè)嚴(yán)密、細(xì)致而又復(fù)雜的過程。有針對(duì)性地制定維修方案/維修大綱，為維修工作帶來了便捷，有效地提高了維修人員的工作效率。

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作者簡介：劉素娟（1987-），女，湖北黃岡人，供職于上海飛機(jī)客戶服務(wù)有限公司，碩士。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）