張洪峰

【摘 要】為了保證運(yùn)營(yíng)期間的持續(xù)適航性，民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有良好的可維護(hù)性。本文從適航要求出發(fā)，通過三方面梳理了在民機(jī)研制階段復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理設(shè)計(jì)與分析應(yīng)當(dāng)遵循的思路，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】修理設(shè)計(jì)；修理工藝；ADL；RDL

中圖分類號(hào)： V250.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）13-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.016

【Abstract】In order to ensure continuous airworthiness in service， civil aircraft composite structure should have good maintainability. Starting from the requirements of airworthiness， this paper combs the ideas that should be followed in the design and analysis of composite material structure repair in the development stage of civil aircraft in three aspects， and provides a reference for the research of composite material structure repair.

【Key words】Repair design； Repair process； ADL； RDL

0 前言

復(fù)合材料因其優(yōu)越的性能越來越廣泛用于航空領(lǐng)域，國(guó)外新一代民機(jī)，如Boeing787的復(fù)合材料用量甚至達(dá)到50%。在飛機(jī)研制中大量應(yīng)用復(fù)合材料是降低成本、提高性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一，也是衡量我國(guó)新一代民機(jī)技術(shù)水平先進(jìn)性的重要標(biāo)志。

民航客機(jī)一旦交付使用，用戶必然提出有關(guān)修理和使用保障的問題。飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱SRM）的完備和可操作性成為飛機(jī)安全運(yùn)營(yíng)的重要保證。對(duì)于民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，修理手冊(cè)的內(nèi)容需要經(jīng)過驗(yàn)證得到適航當(dāng)局批準(zhǔn)才能交付航空公司使用。在飛機(jī)研制階段，主制造商應(yīng)當(dāng)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析給予高度重視。

1 關(guān)于修理驗(yàn)證要求和方法的解讀

為滿足CCAR25.1529“持續(xù)適航文件”條款要求，咨詢通報(bào)AC20-107B.10（c）中關(guān)于修理證實(shí)提供的方法為[1-2]：

1）當(dāng)FAA批準(zhǔn)的文件或維護(hù)手冊(cè)中給出了修理方法時(shí)，應(yīng)該用分析和/或試驗(yàn)來驗(yàn)證該修理方法和技術(shù)會(huì)使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到適航狀態(tài)。必須明確規(guī)定和用文件發(fā)布描述基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)可修理結(jié)構(gòu)部件損傷詳情的可修理損傷限制（以下簡(jiǎn)稱RDL）。還必須明確規(guī)定和用文件發(fā)布不需要修理的允許損傷限制（以下簡(jiǎn)稱ADL）。RDL和ADL均必須基于足夠的分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來滿足本咨詢通報(bào)中概述的使用結(jié)構(gòu)的證實(shí)要求和其他考慮。對(duì)設(shè)計(jì)研制時(shí)沒有考慮的損傷類型和尺寸，通常需要有附加的證實(shí)數(shù)據(jù)。某些損傷類型可能需要專門的外場(chǎng)修理指令和相關(guān)的質(zhì)量控制。膠接修理要遵從與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)同樣的結(jié)構(gòu)膠接考慮。

2）希望完成經(jīng)批準(zhǔn)修理文件范圍之外的主要修理或更換工作的運(yùn)營(yíng)商和維護(hù)修理機(jī)構(gòu)，應(yīng)意識(shí)到為保證已獲認(rèn)證結(jié)構(gòu)的適航性所需要的大量分析、設(shè)計(jì)、工藝和試驗(yàn)，應(yīng)保存該項(xiàng)證實(shí)的文件記錄和適航批準(zhǔn)，以支持后續(xù)的維護(hù)工作。

解讀：

（1）具體機(jī)型的維修手冊(cè)中要包括復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理工藝和方法；

（2）修理手冊(cè)中的工藝方法要經(jīng)過分析和試驗(yàn)驗(yàn)證；

（3）修理工藝和方法要保證結(jié)構(gòu)恢復(fù)到適航標(biāo)準(zhǔn)；

（4）RDL和ADL需要給出明確的定義；

（5）RDL和ADL的定義必須基于足夠多的分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（6）對(duì)RDL和ADL的分析與試驗(yàn)，要充分考慮各種損傷類型和尺寸；

（7）膠接修理可以參考初始設(shè)計(jì)中膠接結(jié)構(gòu)分析/試驗(yàn)方法；

（8）應(yīng)注意保存修理研究中所形成分析、設(shè)計(jì)、工藝和試驗(yàn)的各種文件記錄，以備適航需要。

通過對(duì)咨詢通報(bào)AC20-107B相關(guān)內(nèi)容的解讀，筆者認(rèn)為飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的設(shè)計(jì)與分析應(yīng)當(dāng)從三個(gè)方面來進(jìn)行研究：修理設(shè)計(jì)與工藝驗(yàn)證，修理容限的設(shè)計(jì)與分析、結(jié)構(gòu)修理驗(yàn)證與手冊(cè)編制。

2 修理設(shè)計(jì)與修理工藝驗(yàn)證

經(jīng)驗(yàn)證的修理設(shè)計(jì)和工藝應(yīng)滿足與原飛機(jī)結(jié)構(gòu)同樣的性能要求，修理工藝將包含在SRM中，因此在研制中應(yīng)對(duì)研究工作進(jìn)行文件記錄，以備適航需要。修理設(shè)計(jì)與工藝驗(yàn)證工作應(yīng)當(dāng)包括以下內(nèi)容：

（1）針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，確定可接受的修理工藝。

（2）針對(duì)不同的耐久性要求，制定臨時(shí)修理、中間修理和永久修理方案。

（3）針對(duì)不同的修理方案，選擇合適修理材料。并進(jìn)行修理材料性能表征試驗(yàn)，包括確定其剛度與強(qiáng)度特性、其變異性，以及環(huán)境對(duì)每種特性的影響，通過經(jīng)認(rèn)可的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法得到修理材料的許用值。

（4）通過試驗(yàn)給出修理設(shè)計(jì)許用值。對(duì)于某一特定的修理材料和修理工藝，應(yīng)采用模擬該修理工藝和材料的二維簡(jiǎn)單試樣，進(jìn)行修理設(shè)計(jì)許用值試驗(yàn)，獲得強(qiáng)度恢復(fù)率B基準(zhǔn)值。膠接修理設(shè)計(jì)許用值試驗(yàn)件如圖1所示。

（5）在元件級(jí)別對(duì)關(guān)鍵修理特征和分析方法進(jìn)行證實(shí)。一般采用圓形修理元件級(jí)試驗(yàn)件對(duì)修理工藝進(jìn)行驗(yàn)證。通過剩余強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)修理分析方法進(jìn)行證實(shí)。

3 修理容限的設(shè)計(jì)與分析

修理容限指結(jié)構(gòu)缺陷或損傷要修或不要修、能修或不能修的兩個(gè)定量的界限，即ADL和RDL，損傷的嚴(yán)重程度與可檢性、損傷部件、損傷部位有關(guān)[6]。

修理容限與結(jié)構(gòu)安全性和可操作性密切相關(guān)，決定了修理方案的選擇，明確的修理容限將包含在持續(xù)適航文件中，以滿足持續(xù)CCAR25.1529條。

（1）ADL的標(biāo)準(zhǔn)：ADL的尺寸必須盡可能大，同時(shí)仍滿足極限載荷要求，既能滿足結(jié)構(gòu)安全性要求，又能滿足航空公司的經(jīng)濟(jì)性要求。

（2）RDL的標(biāo)準(zhǔn)：RDL的尺寸考慮膠接修理的耐久性問題，考慮當(dāng)修理補(bǔ)片完全脫落時(shí)，帶缺陷的結(jié)構(gòu)仍能承受限制載荷的能力。

對(duì)于修理容限，需要結(jié)合試驗(yàn)研究和理論分析來確定。應(yīng)考慮不同損傷形式和嚴(yán)重程度、發(fā)生概率和可覆蓋性，試驗(yàn)研究一般至少包含劃傷、穿孔、分層、凹坑。

試驗(yàn)研究：

（1）無缺口層壓板靜強(qiáng)度試驗(yàn)矩陣。應(yīng)當(dāng)包含結(jié)構(gòu)實(shí)際鋪層，并考慮偏角，設(shè)計(jì)完備的試驗(yàn)件矩陣，獲得B基準(zhǔn)值。載荷類型主要包括拉伸和壓縮試驗(yàn)。

（2）含不同缺陷形式的層壓板靜強(qiáng)度試驗(yàn)矩陣。應(yīng)考慮不同缺陷類型、不同缺陷尺寸和試驗(yàn)件寬度的試驗(yàn)件，以獲得拉伸、壓縮剩余強(qiáng)度曲線，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行部分疲勞試驗(yàn)，以證實(shí)疲勞對(duì)剩余強(qiáng)度的影響。

（3）含缺陷的復(fù)合材料的靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)。，除了元件試驗(yàn)外，還需進(jìn)行能夠反映結(jié)構(gòu)特征的典型結(jié)構(gòu)件級(jí)試驗(yàn)，為全尺寸試驗(yàn)提供依據(jù)。選擇最嚴(yán)重的缺陷形式和尺寸，在加筋板級(jí)將損傷引入結(jié)構(gòu)特征位置，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和剩余強(qiáng)度試驗(yàn)。

理論分析：

理論分析主要是利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用一定的工程分析方法，結(jié)合飛機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)的安全裕度，來確定具體結(jié)構(gòu)安全裕度為0時(shí)的ADL和RDL值，。目前常采用的含缺陷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度工程分析分析方法有：點(diǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則、平均應(yīng)力準(zhǔn)則和Mar-lin模型。此類方法均是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)剩余強(qiáng)度進(jìn)行擬合與外推的方法，在工程中得到較多的應(yīng)用。

4 結(jié)構(gòu)修理驗(yàn)證與手冊(cè)編制

前兩節(jié)的研究為試樣級(jí)和結(jié)構(gòu)件級(jí)的工作，還需要在更大尺度上如部件級(jí)和全尺寸級(jí)對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)修理特征和分析方法進(jìn)行證實(shí)。部件級(jí)和全尺寸試驗(yàn)還用于證實(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念、穩(wěn)定性、載荷重新分配等問題，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理全尺寸驗(yàn)證試驗(yàn)可以與損傷容限和疲勞試驗(yàn)在同一件試驗(yàn)件上完成。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證驗(yàn)證工作的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)啟動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)的編制。以B787-8為例，以B787-8為例，說明SRM涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所包含的章節(jié)及其內(nèi)容。在手冊(cè)中，涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)章節(jié)可分為兩大類。一類是通用指南，主要包括對(duì)損傷的分類和檢查方法、對(duì)損傷處理方法和程序、修理材料及其使用要求、各類緊固件的安裝要求、標(biāo)準(zhǔn)化的修理工藝等內(nèi)容。另一類是各復(fù)合材料部件的結(jié)構(gòu)識(shí)別（SI）、ADL和RDL，在這些章節(jié)中，將會(huì)引用到第一類章節(jié)中。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)咨詢通報(bào)AC20-107B關(guān)于飛機(jī)復(fù)合材料修理驗(yàn)證方法的解讀，通過三方面的內(nèi)容梳理了飛機(jī)研制階段應(yīng)當(dāng)遵循的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理設(shè)計(jì)與分析思路，以滿足飛機(jī)持續(xù)性適航要求，可為飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研制提供技術(shù)參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國(guó)民用航空總局.CCAR-25-R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空總局，2011.

[2]AC20-107B.Composite Aircraft Structure[S].2009，9.

[3]CMH-17協(xié)調(diào)委員會(huì). 復(fù)合材料手冊(cè)3：聚合物基復(fù)合材料—材料應(yīng)用、設(shè)計(jì)和分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.

[4]虞浩清，劉愛平.飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理[M].北京：中國(guó)民航出版社，2010.

[5]陳少杰.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.

[6]Sung-Hoon Ahn and George S. Springer. Repair of Composite Laminates[R].NTIS， Springfield， Virginia 22161， 2009.9.