民用飛機(jī)復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)損傷威脅評估研究

張冠彪 張利猛 劉衰財(cái)

（中國商飛復(fù)合材料中心，中國 上海 201324）

0 引言

復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用逐年攀升，使用比例已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[1-2]。民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和服役過程中產(chǎn)生的缺陷和損傷都會對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大威脅。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及驗(yàn)證過程中必須充分考慮各類制造缺陷和服役損傷的影響。

咨詢通告AC 20-107B要求民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疲勞和損傷容限驗(yàn)證中首先要開展損傷威脅評估，根據(jù)損傷威脅評估的結(jié)果確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)所受損傷的損傷源、損傷位置、種類和大小[3-4]。本文針對民用飛機(jī)復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)開展制造缺陷和運(yùn)營損傷評估研究，確定副翼驗(yàn)證試驗(yàn)中需考慮的缺陷和損傷類型，并研究確定各類損傷的模擬形式。

1 復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)

民用飛機(jī)副翼安裝在機(jī)翼后緣靠近翼梢處，通過懸掛接頭和作動器與機(jī)翼盒段后梁連接，主要功能是控制飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。民用飛機(jī)副翼一般是由復(fù)合材料和鋁合金材料制成的楔形結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常包括蒙皮、梁、肋。接頭一般為鋁合金結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與制造缺陷和損傷密切相關(guān)。蒙皮一般為蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，梁和肋一般為“C”形或“工”形層壓板結(jié)構(gòu)，蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和層壓板結(jié)構(gòu)在制造中可能會出現(xiàn)蜂窩脫粘、分層、夾雜等制造缺陷，在運(yùn)營中會受到?jīng)_擊、劃傷等損傷。

2 損傷分類與損傷容限要求

根據(jù)咨詢通告，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上遇到的所有損傷都可以歸為下面5類損傷之一。五種不同類別損傷的損傷容限要求見圖1。

第一類損傷：包括允許制造缺陷和BVID損傷，為周期檢測或有指導(dǎo)的外場檢測可能漏檢的允許損傷或允許的制造缺陷。第二類損傷：包括VID損傷、深的溝槽或大的劃傷，在規(guī)定的檢查間隔期間進(jìn)行定期的或者有指導(dǎo)的外場檢測能可靠檢測出的損傷。第三類損傷：包括LVID損傷或其他易見損傷，可由無復(fù)合材料檢測專業(yè)技能的機(jī)組或外場維護(hù)人員在其出現(xiàn)后幾次飛行期間能可靠檢出的損傷，這樣的損傷必須有某個清晰目視跡象的明顯可見部位。第四類損傷：是由已知偶發(fā)事件引起的離散源損傷，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子爆破、鳥撞（按規(guī)章規(guī)定）、輪胎爆裂和飛行中嚴(yán)重的冰雹。第五類損傷：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或結(jié)構(gòu)驗(yàn)證程序未包括的意外損傷，要求一旦出現(xiàn)必須立即修理。

圖1 損傷類型與損傷容限要求

3 副翼制造缺陷

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造過程中允許存在一些可接受的制造缺陷，允許制造缺陷大小由制造驗(yàn)收文件控制。制造驗(yàn)收文件中一般包括外觀制造缺陷質(zhì)量控制要求和內(nèi)部制造缺陷質(zhì)量控制要求，外觀制造缺陷類型包括：凹陷、凸起、樹脂堆積、貧膠、刻痕、鑿傷、劃傷、裂紋等，內(nèi)部缺陷一般按結(jié)構(gòu)分區(qū)進(jìn)行質(zhì)量控制，內(nèi)部缺陷類型包括：分層、夾雜、孔隙率、纖維褶皺、纖維體積含量變化等。

型號研制階段需對不同結(jié)構(gòu)類型易發(fā)生缺陷的位置及缺陷大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定易發(fā)生分層、脫粘等損傷的位置，結(jié)合內(nèi)力解完成全尺寸驗(yàn)證試驗(yàn)中預(yù)制損傷的布置。

4 副翼運(yùn)營損傷

運(yùn)營過程中產(chǎn)生的損傷主要體現(xiàn)為沖擊損傷。沖擊引起的損傷按其形態(tài)可分為兩類：一類是高能量沖擊，往往也是高速沖擊，如非包容發(fā)動機(jī)碎片、鳥撞等外來物的沖擊造成的損傷；另一類損傷是低能沖擊，多數(shù)情況是低速沖擊，包括生產(chǎn)或維護(hù)用工具的掉落、起飛或著落時跑道上卷起的石子、冰雹的撞擊等。低能沖擊損傷往往從沖擊表面很難察覺，但在結(jié)構(gòu)內(nèi)部很可能已經(jīng)產(chǎn)生了大范圍的損傷，因此往往會帶來更大的危險性。

民用飛機(jī)副翼結(jié)構(gòu)潛在的沖擊損傷源有：工具掉落、冰雹、輪胎碎片、跑道碎石、閃電、轉(zhuǎn)子爆破碎、鳥撞等常規(guī)沖擊，以及勤務(wù)車輛等與飛機(jī)的嚴(yán)重碰撞、異常的飛行超載、非正常硬著落等非常規(guī)沖擊。非常規(guī)沖擊損傷是嚴(yán)重?fù)p傷，在結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和證實(shí)程序中未包括，該損傷目視顯而易見，要求一旦出現(xiàn)必須修理，本文未作詳細(xì)研究。

常規(guī)沖擊損傷包括：

（1）工具掉落：在復(fù)合材料零件的制造和維護(hù)過程中，工具掉落可能會在制件上造成損傷。副翼結(jié)構(gòu)在制造和維護(hù)過程中會用到風(fēng)鉆、鉸刀、螺栓安裝槍、彈簧銷等工具，需對所有工具的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合使用場景確定工具潛在墜落高度，按最大高度墜落計(jì)算得到最大可能沖擊能量，進(jìn)而確定工具掉落引起的沖擊損傷能量截止值，根據(jù)沖擊能量和可檢性門檻值，確定出損傷類別。副翼結(jié)構(gòu)區(qū)域工具掉落造成的損傷一般屬于第一類損傷。

（2）冰雹：美國國家海洋和大氣管理局收集了1955—2006年間美國冰雹分布，統(tǒng)計(jì)了冰雹尺寸、沖擊動能、以及累計(jì)發(fā)生概率，結(jié)果顯示26J能量可覆蓋95.0%的冰雹沖擊[5]。副翼上蒙皮是地面冰雹的影響區(qū)，地面冰雹可歸為第一類、第二類和第三類損傷。飛行冰雹影響飛機(jī)前緣、擋風(fēng)玻璃以及朝向前方的機(jī)身結(jié)構(gòu)，副翼不在飛行冰雹影響區(qū)，無需考慮飛行冰雹。

（3）輪胎碎片：依據(jù)各型號飛機(jī)輪胎爆破中輪胎碎片模式、甩胎模式、爆胎空氣噴流壓力效應(yīng)模式的影響范圍確定輪胎碎片對副翼結(jié)構(gòu)的影響。副翼一般處于輪緣碎片影響范圍內(nèi)，輪胎碎片造成的損傷嚴(yán)重情況可歸為第四類離散源損傷。

（4）跑道碎石：飛機(jī)輪胎卷起的跑道碎石對飛機(jī)的沖擊較為嚴(yán)重。主起落架卷起的跑道碎石對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的影響集中在機(jī)翼和機(jī)身下壁板，對副翼基本無影響，副翼損傷威脅評估中可不用考慮跑道碎石沖擊。

（5）閃電：副翼靠近機(jī)翼翼梢處，副翼梢部外側(cè)位于初始閃電附著區(qū)和附著駐留區(qū)。一般在民用飛機(jī)閃電直接防護(hù)審定計(jì)劃中規(guī)劃副翼結(jié)構(gòu)的閃電直接防護(hù)試驗(yàn)，驗(yàn)證其直接防護(hù)符合性，根據(jù)試驗(yàn)得到的損傷情況，開展損傷容限評定工作。

（6）轉(zhuǎn)子爆破：主要考慮發(fā)動機(jī)、APU和RAT三類轉(zhuǎn)子失效引起的轉(zhuǎn)子爆破威脅，轉(zhuǎn)子爆破碎片沖擊能量非常大，為高能高速沖擊，通常歸為第四類離散源損傷。副翼位于發(fā)動機(jī)影響區(qū)，具體需根據(jù)各型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子爆破碎片的掃略情況確定對副翼的影響，轉(zhuǎn)子爆破對副翼結(jié)構(gòu)損傷特征一般為沖擊穿透。

（7）鳥撞：鳥撞損傷為離散源損傷，屬于第四類損傷，嚴(yán)重時可能造成副翼蒙皮、梁損傷。

綜上，副翼需考慮運(yùn)營損傷包括工具掉落、冰雹、輪胎碎片、閃電、轉(zhuǎn)子爆破、鳥撞等。民用飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)元件 （PSE）受到第四類損傷后須滿足返航載荷要求，副翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常為非PSE，第四類損傷的引入與驗(yàn)證根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和具體要求確定。

5 副翼損傷模擬方案

副翼需考慮的損傷源有：制造缺陷、工具掉落、冰雹、輪胎碎片、閃電、鳥撞、轉(zhuǎn)子爆破碎片等。同時還需考慮運(yùn)營過程中結(jié)構(gòu)表面的劃痕，劃痕屬于第二類損傷。為保證副翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機(jī)服役期的安全性，滿足適航規(guī)章和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)積木式試驗(yàn)驗(yàn)證要求，必須在全尺寸試驗(yàn)件中人為引入這些損傷，各類損傷模擬形式見表1。

表1 副翼全尺寸試驗(yàn)件損傷模擬形式

6 結(jié)語

本文對民用飛機(jī)復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)制造缺陷、沖擊損傷進(jìn)行了研究，給出了復(fù)合材料副翼結(jié)構(gòu)的損傷威脅評估內(nèi)容，確定了副翼需考慮的損傷源和損傷類型，給出了副翼損傷源的模擬形式，用于各階段試驗(yàn)前引入相應(yīng)損傷，以滿足咨詢通告對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷容限的要求，完成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的符合性驗(yàn)證。