復(fù)材泡沫夾芯飛機(jī)結(jié)構(gòu)的制造缺陷收集和修理

孔德拴

（浙江中航通飛研究院有限公司，浙江 德清313200）

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度、比剛度高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在制造缺陷種類(lèi)繁多(包括沖擊損傷、分層、夾雜、褶皺和氣孔等)、結(jié)構(gòu)性能對(duì)缺陷敏感的缺點(diǎn)。由于制造缺陷的出現(xiàn)是隨機(jī)事件，與工廠的質(zhì)量管理體系、工具種類(lèi)和工人素質(zhì)等不可量化因素有關(guān)，因此對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造缺陷或損傷源的收集是一項(xiàng)長(zhǎng)期而繁瑣的工作，可參考的資料非常有限。僅有的可參考文獻(xiàn)為美國(guó)海軍對(duì)軍用飛機(jī)1644 次沖擊事件的外場(chǎng)調(diào)查,通過(guò)用F-15 機(jī)翼上得到的標(biāo)定曲線,把在金屬結(jié)構(gòu)上觀察到的沖擊凹坑轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰? 得到飛機(jī)一倍壽命內(nèi)沖擊能量與超越數(shù)的經(jīng)驗(yàn)曲線[1]。如何簡(jiǎn)單地量化缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，并在盡量少增加重量的前提下修復(fù)這些缺陷，一直是困擾飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程師的難點(diǎn)。

本文通過(guò)某型全復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造的實(shí)踐，收集了制造過(guò)程中由工人操作、工具掉落和飛機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)等引入的各種類(lèi)型缺陷，對(duì)這些缺陷進(jìn)行了尺寸測(cè)量和評(píng)估，對(duì)需要修理的缺陷進(jìn)行了修理。研究結(jié)果表明，制造缺陷在機(jī)體結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中是不可避免的，且發(fā)生的部位、類(lèi)型和數(shù)量是隨機(jī)的，采用合理的維修方法可以較好的恢復(fù)結(jié)構(gòu)的性能，滿足設(shè)計(jì)要求。

1 缺陷和損傷源收集

1.1 夾雜

夾雜指在復(fù)合材料層合板鋪貼過(guò)程中，在鋪層中混入的非結(jié)構(gòu)材料的外來(lái)物。外來(lái)物的來(lái)源包括預(yù)浸料的離型膜、真空輔助材料（包括隔離膜、真空袋、透氣氈）、干絲、頭發(fā)等。夾雜會(huì)降低層合板的層間性能和壓縮性能，并成為疲勞失效的裂紋源。圖1 所示夾雜為預(yù)浸料的離型膜，是復(fù)合材料件制造過(guò)程中最常見(jiàn)的缺陷。

1.2 氣孔和分層

氣孔和分層缺陷是在固化過(guò)程中，由于樹(shù)脂流動(dòng)性較差、真空壓力不足、模具漏氣、鋪貼層數(shù)過(guò)大、鋪貼錯(cuò)層處理不當(dāng)、預(yù)浸料貧脂（樹(shù)脂被離型膜帶走）、保溫時(shí)間不足等導(dǎo)致的層與層之間分離。分層一般出現(xiàn)在層與層和層與芯之間的界面上。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于薄面板的夾芯結(jié)構(gòu)，分層極易出現(xiàn)在層與芯界面上。導(dǎo)致氣孔和分層的因素較多，需通過(guò)綜合分析確定原因。分層和氣孔同樣會(huì)降低層合板的層間性能和壓縮性能，較大分層會(huì)導(dǎo)致層壓板出現(xiàn)失穩(wěn)而提前破壞。圖1 所示白色雪花狀為氣孔缺陷，無(wú)損檢測(cè)表明有大面積分層。

1.3 沖擊損傷

沖擊損傷是在制造過(guò)程中，由于工具（包括緊固件、定位工裝、鋼板尺、鉆頭等）跌落和轉(zhuǎn)運(yùn)碰撞引入的一類(lèi)損傷。對(duì)于本文研究的復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)，由于面板厚度小于1 毫米，工具跌落時(shí)容易引起目視可見(jiàn)損傷，易于被發(fā)現(xiàn)，相比較于大厚度層壓板結(jié)構(gòu)其潛在危險(xiǎn)性較小。

圖1 制造缺陷和損傷

1.4 開(kāi)膠和弱膠接

對(duì)于全復(fù)合材料飛機(jī)，膠接是一種經(jīng)濟(jì)且方便的連接方式。結(jié)構(gòu)裝配時(shí)可以批量膠接一次固化，大大加快裝配效率，減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率。但膠接也有很多缺點(diǎn)，由于膠接面處理不當(dāng)、膠接間隙控制不嚴(yán)、涂膠均勻性差和固化溫度不均勻等原因，容易在局部出現(xiàn)開(kāi)膠和弱膠接缺陷。弱膠接不易被無(wú)損檢測(cè)檢出，出現(xiàn)位置隨機(jī)，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響不易評(píng)估，因此其潛在危險(xiǎn)性較大。飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用膠接時(shí)，必須嚴(yán)格控制膠接工藝，保證膠接質(zhì)量。

在進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞/損傷容限設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮出現(xiàn)大面積開(kāi)膠和弱膠接的可能性，并驗(yàn)證在疲勞載荷作用下開(kāi)膠的擴(kuò)展速率。對(duì)于機(jī)翼結(jié)構(gòu)，可考慮在兩相鄰肋間全部出現(xiàn)開(kāi)膠時(shí)，機(jī)翼可承受設(shè)計(jì)限制載荷。

1.5 損傷源的概率統(tǒng)計(jì)方法

由于制造缺陷的出現(xiàn)是隨機(jī)事件，只能通過(guò)工程實(shí)踐收集和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)缺陷出現(xiàn)的概率給出經(jīng)驗(yàn)公式。借鑒參考文獻(xiàn)[1]中對(duì)沖擊事件的統(tǒng)計(jì)方法，本文給出需要修理的制造缺陷和損傷出現(xiàn)概率的經(jīng)驗(yàn)公式。假設(shè)零件出現(xiàn)需要修理的缺陷概率為Pa，則Pa應(yīng)是如下兩個(gè)概率的乘積：

Pa=Pe（缺陷出現(xiàn)）×Pr（缺陷尺寸＞Dco）

其中，Dco為允許缺陷尺寸臨界值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，Pe事件概率的數(shù)量級(jí)為10-1。而缺陷尺寸D 與Pr呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系：

logPr=-D（j）/a

其中a 為斜率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給出。零件出現(xiàn)需要修理缺陷的概率：

Pa=Pe×10-D（j）/a=0.1×10-D（j）/a復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理

2 夾雜和分層的修理

小范圍的夾雜和分層缺陷，不需要進(jìn)行修理。當(dāng)單個(gè)缺陷尺寸超過(guò)20×20mm 或幾個(gè)連續(xù)分布的小缺陷尺寸超過(guò)20×20mm 時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行修理。

首先應(yīng)打磨缺陷區(qū)域直到去除夾雜和分層，然后進(jìn)行濕法鋪貼，濕法鋪層角度與修理區(qū)域基礎(chǔ)鋪層相同，層數(shù)為2N（N 為打磨掉的層數(shù)）。對(duì)于氣動(dòng)表面，濕法鋪貼時(shí)逐層遞增，必要時(shí)可進(jìn)行真空加壓；對(duì)于非氣動(dòng)表面，則可以根據(jù)實(shí)際情況逐層遞增或遞減。

2.1 沖擊損傷的修理

小面積的沖擊損傷，直接采用泡沫封口膠填補(bǔ)缺口即可。對(duì)于出現(xiàn)芯子塌陷的較大沖擊損傷，則應(yīng)進(jìn)行修理。

首先應(yīng)打磨掉損傷區(qū)域的層壓板，并挖掉塌陷的泡沫。在去除泡沫的區(qū)域填充樹(shù)脂填料，待填充料固化后進(jìn)行必要的打磨和清理，其次采用濕法鋪貼修理?yè)p傷的層壓板，濕法鋪貼方法同夾雜修理，鋪貼范圍比損傷區(qū)域大至少12mm。

2.2 修理的檢驗(yàn)和評(píng)估

采用目視檢測(cè)的方法對(duì)修理區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，不能有新的分層和夾雜，氣動(dòng)表面的修理應(yīng)足夠光滑，不應(yīng)有明顯的臺(tái)階，不能與周邊結(jié)構(gòu)干涉。

3 結(jié)論

研究表明：

（1）預(yù)浸料離型膜是出現(xiàn)頻率最高的夾雜外來(lái)物；

（2）導(dǎo)致分層和氣孔的因素較多，應(yīng)開(kāi)展充分的工藝試驗(yàn)來(lái)確定嚴(yán)格的工藝過(guò)程來(lái)避免這類(lèi)缺陷；

（3）濕法鋪貼修理可以獲得良好的維修效果，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和氣動(dòng)外形的要求。