航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)的展望

蔡長(zhǎng)海 劉文新 許朋 劉學(xué)凱 苗廣原

0引言

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料以其優(yōu)異的設(shè)計(jì)性能和減重性能已經(jīng)成為航空領(lǐng)域最重要的結(jié)構(gòu)材料之一，在新型飛機(jī)上的用量也正大幅提高。在使用和維護(hù)過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷或發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，復(fù)合材料部件的維修任務(wù)量呈逐年上升趨勢(shì)，因此，對(duì)先進(jìn)維修技術(shù)的需求也日益迫切。

與早期的金屬飛機(jī)剛剛開(kāi)展維修工作的情形相似，新材料的應(yīng)用會(huì)給相應(yīng)的維修領(lǐng)域帶來(lái)技術(shù)變革。由于關(guān)鍵維修技術(shù)的封鎖，目前國(guó)內(nèi)飛機(jī)部件維修大多依靠維修手冊(cè)及其中的二維圖，無(wú)法真實(shí)、準(zhǔn)確地獲取部件內(nèi)部尺寸、鋪層方向和材質(zhì)等信息，阻礙了維修技術(shù)的進(jìn)步。目前，制造業(yè)已應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)生產(chǎn)各類(lèi)部件，為突破關(guān)鍵維修技術(shù)的封鎖，現(xiàn)考慮將數(shù)字化技術(shù)引入復(fù)合材料維修中。

1 航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)的含義

數(shù)字化技術(shù)是以數(shù)字電子計(jì)算機(jī)硬軟件、周邊設(shè)備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息離散化表述、定量、感知、傳遞、存儲(chǔ)、處理、控制、聯(lián)網(wǎng)的集成技術(shù)。其用于制造業(yè)可包括數(shù)字化制造技術(shù)與數(shù)字化產(chǎn)品兩部分。數(shù)字化制造技術(shù)是將數(shù)字化技術(shù)用于支持部件全生命周期的制造活動(dòng)和企業(yè)的全局優(yōu)化運(yùn)作，數(shù)字化產(chǎn)品是將數(shù)字化技術(shù)注入到工業(yè)產(chǎn)品中。

數(shù)字化技術(shù)還原了實(shí)際維修各個(gè)環(huán)節(jié)的本質(zhì)過(guò)程，在復(fù)合材料部件開(kāi)展維修工作之前，就能全面分析復(fù)合材料部件維修過(guò)程的合理性，做出前瞻性的決策與優(yōu)化實(shí)施方案。此外，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)可以進(jìn)行維修操作過(guò)程仿真，有效降低維修費(fèi)用，提高維修的準(zhǔn)確性與效率。

1.1 航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)在國(guó)際維修領(lǐng)域的應(yīng)用

國(guó)外一些知名的飛機(jī)維修企業(yè)，在基于對(duì)產(chǎn)品數(shù)模、裝配技術(shù)保密以及適航要求的前提下使用維修手冊(cè)，而在研究發(fā)展方面實(shí)施全數(shù)字化設(shè)計(jì)維修技術(shù)、運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)修理方案的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行力學(xué)分析、對(duì)維修過(guò)程產(chǎn)品航材的準(zhǔn)確定位以及航材訂購(gòu)的管控，以保證修理的可靠性和維修過(guò)程管控性，而對(duì)于國(guó)內(nèi)維修企業(yè)，這些數(shù)字化技術(shù)被牢牢控制在OEM手中。

1.2 航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

我國(guó)航空復(fù)合材料部件維修是對(duì)實(shí)物測(cè)量標(biāo)定缺陷位置及尺寸，參考對(duì)應(yīng)維修手冊(cè)中的二維圖紙確定修補(bǔ)位置及修補(bǔ)航材，而實(shí)際中由于其維修過(guò)程的復(fù)雜和無(wú)法直觀(guān)獲取維修數(shù)據(jù)，導(dǎo)致修理周期較長(zhǎng)。且在不具備數(shù)字化平臺(tái)的情況下，大多維修環(huán)節(jié)過(guò)分地依賴(lài)人，存在一定人為因素風(fēng)險(xiǎn)隱患，不利于航空安全的維修行為。采用航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

（1）建立三維電子數(shù)模，直觀(guān)地體現(xiàn)復(fù)合材料部件與維修手冊(cè)相符的所有信息，如型面尺寸、厚度、緊固件尺寸位置材質(zhì)信息、鋪層信息等。在維修過(guò)程中，參考相關(guān)基準(zhǔn)面，通過(guò)實(shí)際測(cè)量缺陷位置信息，直觀(guān)地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質(zhì)、上下級(jí)部件的裝配關(guān)系等，用以指導(dǎo)工程師設(shè)計(jì)更合理的維修方案。在維修操作過(guò)程中，操作者可依照維修手冊(cè)并參考三維數(shù)模，提高維修效率；

（2）依據(jù)三維電子數(shù)模，制作復(fù)合材料部件維修工裝。航空復(fù)合材料部件大部分存在一定的曲率，型面較為復(fù)雜。復(fù)合材料部件的修理大多采用熱粘接的方式，型面復(fù)雜的部件在熱成型過(guò)程中需要相應(yīng)的維修工裝提供與之相符的理論型面。目前一些特定復(fù)合材料部件型面過(guò)于復(fù)雜（如格柵類(lèi)部件等），加之缺乏三維電子數(shù)模而無(wú)法制作與之相匹配的維修工裝，使得很多維修工作無(wú)法開(kāi)展，喪失了積累寶貴維修經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)；

（3）數(shù)字化技術(shù)有助于開(kāi)發(fā)新的維修方案的能力，通過(guò)三維電子數(shù)模對(duì)修理方案進(jìn)行仿真模擬，是開(kāi)發(fā)新的維修方案的必備條件。通過(guò)三維電子數(shù)模，采用模擬仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)方案的安全性、可靠性進(jìn)行模擬仿真，確保超規(guī)范修理能夠達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全要求。新的損傷維修方案的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，三維電子數(shù)模提供的原部件的制造信息、材料信息、復(fù)合材料鋪層角度信息、熱膨脹系數(shù)信息等都是最根本的必要條件。

2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展思路

2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料維修的主要難點(diǎn)在于維修方案的設(shè)計(jì)，現(xiàn)階段復(fù)合材料修理標(biāo)準(zhǔn)方法僅止步于次要表面的修復(fù)。大多航空公司只能利用EASA DOA（歐洲航空安全局設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)書(shū)）給出的方案進(jìn)行施工。大型維修企業(yè)根據(jù)多年的維修經(jīng)驗(yàn)以及OEM維修手冊(cè)進(jìn)行維修工作，但超過(guò)手冊(cè)限度的方案仍受到OEM的制約，OEM嚴(yán)格控制著飛機(jī)部件的三維電子數(shù)模。相關(guān)維修手冊(cè)雖然規(guī)定了維修標(biāo)準(zhǔn)和工作細(xì)則，但不具有完備的數(shù)字化信息庫(kù)平臺(tái)，無(wú)法獲得復(fù)合材料部件材料信息、鋪層信息、裝配信息，我國(guó)的復(fù)合材料部件維修無(wú)法實(shí)現(xiàn)突破式的飛躍。

2.2 發(fā)展思路

（1）利用維修工作的便利條件，采用逆向工程制作相關(guān)維修部件的三維電子數(shù)模。通過(guò)多個(gè)批次的部件進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)繪和分析，提取出逆向建模的關(guān)鍵條件。其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度等多方面的逆向，建立高還原度的三維電子數(shù)模，并對(duì)復(fù)合材料部件的材料信息、外形輪廓、連接件等信息進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)注。

（2）在已建立完備三維電子數(shù)模的基礎(chǔ)上，將SRM、CMM維修手冊(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、施工程序按照部件劃分至相應(yīng)的三維電子數(shù)模NOTE文件中作為參考數(shù)據(jù)，形成直觀(guān)的技術(shù)文件，并配備若干移動(dòng)客戶(hù)端，便于工程師和工作者維修現(xiàn)場(chǎng)的參考使用，從而減少人為因素的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）由于建立三維電子數(shù)模只能作為參考使用數(shù)據(jù)，所以在與維修手冊(cè)中的信息進(jìn)行對(duì)接時(shí)一定要保證其數(shù)據(jù)的一致性，并及時(shí)監(jiān)控手冊(cè)的改版信息，使三維電子數(shù)模與手冊(cè)的保持一致。

（4）采用計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（CAPP）結(jié)合三維電子數(shù)模，形成規(guī)范的維修工卡體系，同時(shí)對(duì)維修過(guò)程復(fù)雜繁多的維修航材進(jìn)行有效管控。省去了大量的查找手冊(cè)尋找相應(yīng)航材以及替代航材時(shí)間，節(jié)省時(shí)間成本，提高效率。

（5）基于三維電子數(shù)模及材料信息，開(kāi)展復(fù)合材料部件修理性能虛擬仿真，驗(yàn)證修理方案的可靠性。在具備修理復(fù)合材料部件施工能力的同時(shí)，加強(qiáng)部件修理的設(shè)計(jì)能力，最終建成產(chǎn)研一體化的先進(jìn)的復(fù)合材料維修企業(yè)。

（6）建立以部件數(shù)據(jù)庫(kù)、航材數(shù)據(jù)庫(kù)、維修工裝數(shù)據(jù)庫(kù)、維修方案數(shù)據(jù)庫(kù)等為核心的航空復(fù)合材料部件維修大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)，并進(jìn)一步升級(jí)為云數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)保證部件維修全流程中數(shù)據(jù)文件的唯一性，達(dá)到數(shù)據(jù)與復(fù)合材料部件維修諸多環(huán)節(jié)間的有效集成，確保數(shù)據(jù)流在復(fù)合材料部件維修全流程中的真實(shí)有效傳遞，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)與云數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)和數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)的有效銜接，實(shí)現(xiàn)航空復(fù)合材料部件維修的數(shù)字化集成，達(dá)到縮短周期和提升產(chǎn)品維修質(zhì)量的效果。

3 航空復(fù)合材料維修數(shù)字化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例

V2500發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇罩主體結(jié)構(gòu)是由碳纖維和鋁蜂窩組成的三明治結(jié)構(gòu)，實(shí)際是由2～7層不等碳纖維和兩種不同密度的蜂窩組成（如圖1），由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，主體部位一旦發(fā)生損傷，使用二維圖紙進(jìn)行維修，無(wú)論是在方案設(shè)計(jì)方面和工程施工方面都將是一大挑戰(zhàn)，并且增加了人為因素風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此，南航沈陽(yáng)維修基地首次應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)扇罩損傷修理方案。具體步驟為：

（1）建立損傷模型：參考相關(guān)基準(zhǔn)面，通過(guò)實(shí)際測(cè)量缺陷位置信息，在三維數(shù)模目錄樹(shù)下標(biāo)注風(fēng)扇罩損傷尺寸信息、輪廓尺寸信息、連接件信息、零部件件序號(hào)信息和材料信息等，直觀(guān)地獲得缺陷位置材料體系、緊固件品名材質(zhì)、上下級(jí)部件的裝配關(guān)系等，通過(guò)逆向掃描模擬出風(fēng)扇罩局部損傷的三維模型（如圖2）。

（2）建立維修模型：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)尺、結(jié)合手冊(cè)信息和廠(chǎng)家維修圖紙?jiān)谌S數(shù)模目錄樹(shù)下建立相關(guān)的維修信息，如材料信息（蜂窩、碳纖維層、玻璃布層、膠接層等）、各個(gè)修理的區(qū)域及尺寸信息和零部件件序號(hào)信息等，直觀(guān)地建立缺陷位置維修體系，通過(guò)逆向掃描模擬出風(fēng)扇罩三維維修模型（如圖3）。

從風(fēng)扇罩的三維維修模型中不難發(fā)現(xiàn)，工作者在維修過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)直觀(guān)地查找維修信息，避免出現(xiàn)由于讀圖失誤而造成的人為差錯(cuò)，可以提高維修效率。打破以往采用二維圖紙編制超規(guī)范維修方案的模式，將三維數(shù)模維修方案引入文件，形成直觀(guān)簡(jiǎn)潔的維修方案，加快方案編制的速度和審核速度，并在維修現(xiàn)場(chǎng)配備個(gè)人移動(dòng)終端設(shè)備，在維修過(guò)程中隨時(shí)可以接近三維電子數(shù)模，查找確認(rèn)相關(guān)信息，提高維修效率，減少人為差錯(cuò)。

（3）剖析三維維修模型：與二維維修模型方案相比，使用三維數(shù)模進(jìn)行編制維修方案共使用4張圖標(biāo)便可以進(jìn)行清晰的表達(dá)。而使用二維圖紙編制的方案共需要11張圖標(biāo)，在查看過(guò)程中需往復(fù)進(jìn)行細(xì)致的分析對(duì)比，且易出現(xiàn)讀圖失誤造成的人為差錯(cuò)。由此可見(jiàn)采用三維數(shù)模編制維修方案可以大幅地減少維修方案的篇幅，工程師可以清晰明了地表明自身的維修思路和設(shè)計(jì)方案，工作者可以更加輕松地實(shí)施維修方案。

（4）三維維修模型的展望：目前國(guó)內(nèi)民用航空維修領(lǐng)域之所以沒(méi)有使用三維數(shù)模進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)維修工作，主要是受到OEM的限制，不能實(shí)時(shí)更新數(shù)模版本。南航沈陽(yáng)基地在日常維修工作中，以手冊(cè)為基本依據(jù)的前提下，主要通過(guò)自我積累維修部件的三維數(shù)模，建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)和NOTE標(biāo)注集。這樣便可以采取三維數(shù)模輔助快速識(shí)別部件損傷位置、航材基本信息、質(zhì)量分區(qū)基本信息、損傷容限基本信息、維修章節(jié)基本信息、特殊要求（如磅力矩等）基本信息等，完成識(shí)別后有針對(duì)性的在維修手冊(cè)中進(jìn)行確認(rèn)核對(duì)工作； 遇到超過(guò)手冊(cè)規(guī)定范圍的損傷，也可以通過(guò)三維數(shù)模編制維修方案，簡(jiǎn)化方案篇幅，配合移動(dòng)終端設(shè)備接近相關(guān)具體方案，直觀(guān)快速的理解并實(shí)施維修方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，部件損傷的情況更是千差萬(wàn)別，使得當(dāng)下維修手冊(cè)中給出的典型修理方案已不能夠滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的維修需要，因此迫切要求國(guó)內(nèi)主要的飛機(jī)維修企業(yè)快速提升維修方案設(shè)計(jì)能力，并通過(guò)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用建立復(fù)合材料部件維修各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)航空復(fù)合材料部件的數(shù)字化集成維修，突破國(guó)外技術(shù)封鎖，提高航空復(fù)合材料維修的綜合能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 李志歆，盧偉達(dá)，高賽，王榮巍.V2500發(fā)動(dòng)機(jī)反推平移門(mén)外筒局部缺失修復(fù)[J] . 航空維修與工程，2018（3 ）：52-53.

[2] 張小波，王威，趙海洋，王嵐懿.V2500發(fā)動(dòng)機(jī)反推格柵典型損傷修理技術(shù)研究[J] . 航空維修與工程，2018（3 ）：57-59.

[3] 王賀平.V2500發(fā)動(dòng)機(jī)反推平移罩分段線(xiàn)區(qū)域結(jié)構(gòu)損傷淺析[J] . 航空維修與工程，2016（7）：82-85.

[4] 賀強(qiáng)，楊文鋒，唐慶如.復(fù)合材料挖補(bǔ)修理技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J] . 玻璃鋼/復(fù)合材料，2015（4）：85-90.