一體式復(fù)合材料油箱結(jié)構(gòu)修理方法研究

熊哲　李炳伯

摘 要：本文以某無(wú)人機(jī)一體式復(fù)合材料夾層油箱結(jié)構(gòu)的故障修理為實(shí)例，分析了滲油故障的原因?yàn)殍偳都惭b處結(jié)構(gòu)損傷，給出了損傷修理方法和驗(yàn)證試驗(yàn)方案；通過(guò)修理后的驗(yàn)證試驗(yàn)表明，采用填料填補(bǔ)修理的方法，注油一個(gè)月后未再出現(xiàn)滲油現(xiàn)象，能夠解決油箱的滲油故障，并且采用補(bǔ)片式方法修理后，修理的結(jié)構(gòu)能夠滿足外掛點(diǎn)最大掛載載荷承載能力的要求，達(dá)到了修復(fù)油箱的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；復(fù)合材料；修理方法；一體式油箱；鑲嵌件。

1概述

復(fù)合材料重量輕，性能優(yōu)異，便于大面積整體成型，近年來(lái)，復(fù)合材料已經(jīng)在飛行器上得到廣泛應(yīng)用，不但用于控制面和整流罩，而且也用于主承力結(jié)構(gòu)，有效地減輕了飛行器的結(jié)構(gòu)重量，提高了飛行器的技術(shù)性能，釆用先進(jìn)復(fù)合材料的程度已成為衡量飛行器是否先進(jìn)的重要標(biāo)志之ー[1]。但是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)存在生產(chǎn)缺陷，而且在使用過(guò)程中也不可避免地會(huì)遭受損傷。

為了保證飛行器的安全使用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要具有良好的性能，在出現(xiàn)損傷時(shí)必須及時(shí)的修理以保證其處于良好的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)損傷如不及時(shí)修理就會(huì)發(fā)展成較大的損傷，導(dǎo)致本來(lái)外場(chǎng)可以修理的結(jié)構(gòu)損傷必須返廠修理，甚至結(jié)構(gòu)報(bào)廢。因此，及時(shí)、正確的修理可以最大限度地節(jié)省使用和維護(hù)費(fèi)用[2]。

本文以某型無(wú)人機(jī)為實(shí)例，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域的確定、修理及驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究。

2某無(wú)人機(jī)一體式油箱結(jié)構(gòu)

2.1一體式油箱結(jié)構(gòu)形式

某無(wú)人機(jī)機(jī)身（圖1）為高溫碳纖維預(yù)浸料固化而成，油箱集成在機(jī)身中部結(jié)構(gòu)兩側(cè)，油泵裝在機(jī)身中部的前底端，同時(shí)在該位置留有空氣出口。該直升機(jī)機(jī)身采用左右側(cè)蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)二次膠接而成，形成的空腔為油箱。機(jī)身中部空腔采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)壁涂覆有耐油隔油材料涂層，將機(jī)身空腔與油箱一體化設(shè)計(jì)；機(jī)身中部外側(cè)有多個(gè)鑲嵌件，用于懸掛飛行任務(wù)載荷。

2.2損傷區(qū)域分析

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，一體式油箱外部一處鑲嵌件發(fā)生滲油故障，通過(guò)內(nèi)窺鏡檢查及敲擊檢查，確認(rèn)該處鑲嵌件安裝在復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)，周邊由填料填充固定，如圖2所示。

為進(jìn)一步了解內(nèi)部損傷情況，通過(guò)超聲波掃描儀檢查，發(fā)現(xiàn)填料區(qū)域有局部裂紋；去除外蒙皮表面碳纖維和局部填料后，檢查填料周邊蜂窩，發(fā)現(xiàn)蜂窩區(qū)完好無(wú)損，蜂窩內(nèi)部無(wú)油漬或浸潤(rùn)痕跡。分析此鑲嵌件在預(yù)埋過(guò)程中，內(nèi)部鋪布密封時(shí)對(duì)接縫沒(méi)有密封好，存在工藝質(zhì)量問(wèn)題；另外，存在裝拆任務(wù)載荷時(shí)易導(dǎo)致填料產(chǎn)生局部裂紋，進(jìn)而使得燃油從縫隙處滲出，如圖3所示：

3損失修理方法

因一體式油箱內(nèi)部為半封閉區(qū)域，難以在內(nèi)部進(jìn)行修理操作，只能從外至內(nèi)進(jìn)行修理，且外部區(qū)域。如圖4所示，將鑲嵌件外部的碳纖維打磨去除，同時(shí)打磨掉周邊的部分蜂窩區(qū)域。而后在打磨掉的蜂窩區(qū)域填入填料（EA9396常溫結(jié)構(gòu)膠加玻璃微球），再鋪放與原結(jié)構(gòu)相應(yīng)層數(shù)的碳纖維（用EA9396常溫結(jié)構(gòu)膠充分浸潤(rùn)），最后在外側(cè)補(bǔ)加一層+45°碳纖維纖維，如圖4所示：最后，用紅外燈加熱至60℃-70℃固化，持續(xù)時(shí)間8小時(shí)。

4修理驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1承載能力試驗(yàn)

根據(jù)承載能力試驗(yàn)設(shè)計(jì)，模擬修理區(qū)域結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)件按照修理方案進(jìn)行加工，即先加工油箱艙壁板夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，然后在中心區(qū)按要求挖空，再預(yù)埋鑲嵌件后并鋪設(shè)碳纖維。將新制的試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸與剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證修理后的復(fù)合材料承載力。

4.1.1拉伸試驗(yàn)

夾具與支持四邊固支，對(duì)螺栓施加法向拉伸載荷，如圖5所示。表2為6組試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。

4.1.2剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)件一邊夾持，在試驗(yàn)件單側(cè)施加垂直于夾持邊方向的載荷，如圖6所示。表3為6組試驗(yàn)件進(jìn)行剪切試驗(yàn)的結(jié)果，。

4.1.3 承載能力試驗(yàn)結(jié)論分析

使用載荷取第一峰值的最小值，破壞載荷取最大峰值的最小值[3]。

通過(guò)上述試驗(yàn)分析，該復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)鑲嵌件修理后承載能力滿足某無(wú)人機(jī)外掛點(diǎn)最大掛載載荷25kg的要求。

4.2注油試驗(yàn)

為驗(yàn)證一體式油箱滲油的故障是否解決，在完成修理后對(duì)一體式油箱重新注油，將油箱按著陸狀態(tài)放置；一個(gè)月后，檢查原鑲嵌件滲油區(qū)域未發(fā)現(xiàn)有滲油情況。

通過(guò)注油試驗(yàn)，說(shuō)明修理后的一體式油箱有效的封堵了原鑲嵌件安裝處結(jié)構(gòu)的滲油點(diǎn)，解決了一體式油箱滲油的故障。

5結(jié)論

本文對(duì)某無(wú)人機(jī)出現(xiàn)的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)滲油故障進(jìn)行了分析，確認(rèn)了滲油故障的原因?yàn)殍偳都惭b處結(jié)構(gòu)損傷，根據(jù)損傷情況給出了損傷修理方法，并通過(guò)承載能力模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，表明通過(guò)修理后的結(jié)構(gòu)滿足某無(wú)人機(jī)外掛點(diǎn)最大掛載載荷25kg的要求，并根據(jù)注油試驗(yàn)一個(gè)月后無(wú)滲油現(xiàn)象，說(shuō)明修理后的一體式油箱有效的封堵了原鑲嵌件安裝處結(jié)構(gòu)的滲油點(diǎn)，解決了一體式油箱滲油的故障，達(dá)到了修理的目的。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但也會(huì)出現(xiàn)缺陷和損傷，給無(wú)人機(jī)的使用和維護(hù)帶來(lái)諸多不便。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷和損傷具有種類多、機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)，給修理工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，需要我們?cè)诳偨Y(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 牛春勻.實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳紹杰.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理指南[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介：

熊哲（1986-），男，民族：漢，籍貫：江西省南昌市，當(dāng)前職務(wù)：設(shè)計(jì)師，當(dāng)前職稱：工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：機(jī)械制造。