V2500 短艙脫膠和分層損傷抑制方案分析

■ 張小波 苗廣原/中國南方航空股份有限公司工程技術(shù)分公司沈陽基地

0 引言

脫膠、分層損傷一直是V2500 發(fā)動機短艙部件主要的損傷類型，在所有損傷類型中占比較高，這與短艙部件具有的夾層/層壓結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。短艙部件運行過程中頻繁出現(xiàn)的脫膠、分層損傷，嚴重影響了部件運行的可靠性和安全性，易造成飛機停場或部件大量拆換送修，且?guī)砀甙旱倪\行維護成本。然而，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)維修手冊中的修復(fù)方案在飛機運行過程中并不容易實施，因此選擇合適的時機介入并高效地完成對短艙部件的檢修、充分抑制損傷的發(fā)展非常必要。

1 V2500 短艙部件損傷類別統(tǒng)計及分析

對V2500 發(fā)動機短艙前環(huán)、尾噴、反推C 涵道、反推平移門和風(fēng)扇整流罩等5 種部件的維修記錄進行統(tǒng)計分析，得出各部件出現(xiàn)的主要損傷形式及其占比，如圖1～圖5 所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，前環(huán)的主要損傷形式為金屬絲網(wǎng)損傷；尾噴的主要損傷形式為脫膠和裂紋；C 涵道的主要損傷形式為磨損；平移門的主要損傷形式為分層和脫膠；風(fēng)扇整流罩的主要損傷形式為脫膠、分層和緊固件孔擴大。根據(jù)送修經(jīng)驗，前環(huán)金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)較其他部件更為特殊，一般在翻修時更換金屬絲網(wǎng)，以徹底修復(fù)損傷；尾噴脫膠損傷主要發(fā)生在尾噴管6 點鐘位置，損傷抑制方法為焊接修理。除此之外，脫膠和分層損傷普遍存在于反推平移門和風(fēng)扇整流罩中，脫膠和分層損傷在兩種部件中的占比之和超過50%，與這兩種部件均為夾層/層壓結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

圖1 前環(huán)的主要損傷形式及占比

圖2 尾噴的主要損傷形式及占比

圖3 反推C涵道的主要損傷形式及占比

圖4 反推平移門的主要損傷形式及占比

圖5 風(fēng)扇整流罩的主要損傷形式及占比

2 V2500 短艙部件中的夾層/層壓結(jié)構(gòu)

夾層三明治結(jié)構(gòu)和層壓結(jié)構(gòu)是民用航空器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要形式，主要應(yīng)用于飛機舵面、整流罩、貨艙襯板等區(qū)域。夾層結(jié)構(gòu)由蜂窩芯與兩層層合蒙皮膠接組成，層壓結(jié)構(gòu)則由纖維與樹脂組成。這兩種結(jié)構(gòu)主要分布于V2500 發(fā)動機短艙中的反推平移門和風(fēng)扇整流罩，主體結(jié)構(gòu)均為鋁蜂窩和碳纖維膠接的夾層結(jié)構(gòu)，反推平移門外筒為碳纖維鋪層的層壓結(jié)構(gòu)，如圖6、圖7 所示。反推平移門和風(fēng)扇整流罩分布在外部整流和易受熱區(qū)域，因此易出現(xiàn)脫膠、分層等損傷。另外，風(fēng)扇整流罩因大面積采用了纖維/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，容易受外來物、雹擊影響，在冰雹天氣環(huán)境下可形成較大范圍的脫膠/分層損傷。

圖7 V2500風(fēng)扇整流罩結(jié)構(gòu)示意圖

3 脫膠、分層損傷機理

脫膠和分層損傷通常發(fā)生在層壓結(jié)構(gòu)兩層間的界面上、沿兩種成分間的膠接線以及在夾層結(jié)構(gòu)的面板和芯子之間發(fā)展。分層的形成多是由于在層壓板自由邊界、基體裂紋或結(jié)構(gòu)細節(jié)處（即高曲率、陡的層數(shù)變化）的應(yīng)力集中，或因較差的加工過程以及低能量沖擊造成的；脫膠的形成與分層相似。最主要的原因是在兩成分間沿膠接線已無膠接力。兩種損傷一般可通過敲擊檢查、熱成像檢查等NDT 方法檢測出并明確損傷范圍。

分層和脫膠引起對飛行安全的威脅，因為這些損傷將層壓板或膠接連接件分成很多子層，從而降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度，降低了膠接結(jié)構(gòu)裝配件的有效剛度。損傷出現(xiàn)后，隨著時間的推移，損傷面積有不斷擴展的可能性。在某些情況下，承受重復(fù)載荷時，分層和脫膠會增長，繼而在受壓縮或剪切時造成災(zāi)難性破壞。

4 脫膠、分層損傷的抑制方法

在波音、空客現(xiàn)役飛機的SRM 手冊中，對于復(fù)合材料夾層/層壓結(jié)構(gòu)的脫膠、分層損傷，采用的是斜坡挖補膠接修理方法，包括預(yù)浸料修理和不同固化溫度條件下的濕鋪層修理，如圖8、圖9 所示。

圖8 預(yù)浸料修理

圖9 室溫濕鋪層修理

濕鋪層修理法是現(xiàn)場調(diào)配樹脂，并浸漬纖維織物，制作成修理補片，然后逐層鋪放到修理區(qū)域，進行封裝固化。優(yōu)點是材料存儲方便，價格低廉，沒有低溫保存的要求；缺點是固化溫度較低，固化時間長，而且修理后不能完全恢復(fù)其強度和耐久性。預(yù)浸料修理通常被稱為干法修理，采用預(yù)浸料和膠膜作為主要的修理材料，并且這兩種材料都要存儲在冰箱里保持使用壽命。優(yōu)點是制作方便、干凈，固化后強度較高，通常作為永久性修理方案；缺點是材料的存儲需要低溫，保質(zhì)期小于樹脂，而且還有曝光率累計時長限制，訂購流程煩瑣，發(fā)貨周期長，固化一定要高溫，一些小的修理站不能滿足設(shè)備和工藝的要求。膠接修理一般是通過去除損傷后恢復(fù)修補材料并使用加熱毯加溫的方式修理損傷，主要工序有除濕、清除損傷、打磨和清潔損傷區(qū)域、修理、封裝和固化以及固化后的檢查和打磨。

上述損傷抑制方法在實際維護過程中大多為永久修理。由于需將受損部件離位接近且實際修理方案中加溫次數(shù)較多，往往需要耗費一定量的時間，在實際維護中并不容易實施。以V2500 NSRM 中風(fēng)扇整流罩夾層結(jié)構(gòu)典型修理方案為例，除濕步驟要求6h，修理步驟要求固化填片和修理片各120min；若蜂窩和表面金屬網(wǎng)受損，還需更換蜂窩芯和恢復(fù)金屬網(wǎng)，蜂窩芯固化時間為60min，金屬網(wǎng)固化時間為220min；加上升溫、降溫、修理準備、封裝等步驟，以及拆換部件所需時間，完成整個修理的理論耗時大致為12 ～20h。在飛機正常運行期間，很難找到合適的停場時間予以實施，給生產(chǎn)安排和質(zhì)量管理工作帶來一定的壓力。

5 短艙工程管理方案改善設(shè)計

針對V2500 發(fā)動機短艙部件夾層/層壓結(jié)構(gòu)損傷抑制方法在日常維護工作中實施困難的情況，可以選擇在周期較長的定檢或其他維護工作中安排相關(guān)部件的檢修工作。因此需要在現(xiàn)有維修方案的基礎(chǔ)上，選擇合乎損傷發(fā)展規(guī)律的時機介入，盡量在損傷形成初期及時采取抑制措施，避免損傷不斷拓展，超出結(jié)構(gòu)修理手冊方案范圍而增加維護成本。這就需要對相關(guān)部件的維護數(shù)據(jù)進行分析，獲取損傷發(fā)展規(guī)律，擬定檢修介入的部件運行門檻值或時間點。以V2500 風(fēng)扇整流罩為例，對風(fēng)扇整流罩脫膠和分層維護數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。首先選擇合適的飛行小時間隔，統(tǒng)計各個飛行小時區(qū)間內(nèi)風(fēng)扇整流罩出現(xiàn)損傷的數(shù)量，初步獲取出現(xiàn)損傷的時間規(guī)律，并進一步合并或重新劃分間隔，明確損傷頻發(fā)的主要飛行小時區(qū)間，如圖10 所示。從圖中可以看出，部件運行時長超過20000FH 后，分層、脫膠損傷頻發(fā)。因此，初步確定風(fēng)扇整流罩損傷抑制介入的門檻值為20000FH。

圖10 V2500風(fēng)扇整流罩脫膠/分層損傷對應(yīng)飛行時長分布

在V2500 發(fā)動機短艙部件運行過程中，可以根據(jù)上述結(jié)論嘗試在部件運行至關(guān)鍵門檻值前后，結(jié)合周期較長的維護活動，對相關(guān)部件進行檢修，抑制夾層/層架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫膠/分層損傷，提高部件運行可靠性。另外，對于超出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)手冊修理方案范圍的損傷，OEM能夠在一定范圍內(nèi)提供修理方案，應(yīng)做好OEM 修理方案的搜集和積累工作，摸索出OEM能夠提供方案的損傷范圍、不同損傷修復(fù)的具體方法以及廠家回復(fù)的周期規(guī)律，為檢修工作的生產(chǎn)安排提供有力支持。

6 結(jié)論

對于V2500 發(fā)動機短艙部件，脫膠和分層一直都是出現(xiàn)頻率最高的損傷類型，且主要出現(xiàn)于反推平移門和風(fēng)扇整流罩兩種部件上，這與上述兩種部件大面積采用的夾層/層壓結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于受到裂紋、應(yīng)力集中或能量沖擊的影響，夾層或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)纖維之間或纖維與蜂窩芯之間出現(xiàn)脫膠或分層損傷，且隨時間推進而逐漸拓展，對短艙部件結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性造成威脅。

對于夾層/層壓結(jié)構(gòu)的脫膠、分層損傷，波音和空客采取的抑制手段均為濕鋪層修理和預(yù)浸料修理，可滿足不同結(jié)構(gòu)的壽命延伸需求。但因其施工步驟較為煩瑣，加溫固化環(huán)節(jié)所需時間較長，導(dǎo)致整體修復(fù)過程耗時長，不宜在日常維護活動中實施。

為了能夠預(yù)防性地抑制短艙部件的脫膠、分層損傷，需要選擇合適的時機，結(jié)合周期較長的維護工作，對相關(guān)部件進行檢修。本研究對相關(guān)部件的維護數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，初步獲得了損傷發(fā)展與部件運行時長之間的規(guī)律，依此擬定介入門檻值或時間點，及時檢查、抑制已有損傷，避免損傷擴展，提高短艙部件的運行可靠性。