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        基于某型飛機整流罩的復(fù)合材料修理技術(shù)研究

        2022-09-16 11:14:30湯海龍雷社昌
        高科技纖維與應(yīng)用 2022年3期
        關(guān)鍵詞:整流罩脫膠結(jié)構(gòu)件

        湯海龍,雷社昌

        (國營四達機械制造公司,陜西 咸陽 712203)

        0 引言

        復(fù)合材料由于其高比強度、高比剛度、低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)等優(yōu)勢被廣泛運用到飛行器的重要結(jié)構(gòu)中[1-2],如后艙壁[3]、飛行器中的隔熱板、火箭發(fā)動機的噴嘴[4]等部位。此外,為了增加飛機的航程及載彈量[5],飛機研制者在設(shè)計之初就使用大量蜂窩夾芯材料。復(fù)合材料大量應(yīng)用的現(xiàn)象在軍用飛機上得到了極大體現(xiàn),如F-22飛機的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的用量將近40%[6],主要承重結(jié)構(gòu)部件(如尾翼、機身、機翼、襟翼和垂直穩(wěn)定器等)都使用了纖維基復(fù)合材料[7]。我國目前的現(xiàn)役飛機在研制之初也應(yīng)用了大量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用也給飛機后續(xù)的維護、維修工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。

        在飛機起飛、平飛、降落過程中,復(fù)合材料經(jīng)常會受到撞擊出現(xiàn)故障,嚴重威脅機上人員的生命安全,維修人員需要根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的故障損傷開展針對性維修。先前的研究者針對蜂窩夾芯類的復(fù)合材料修復(fù)介紹了幾種常見的修復(fù)方法[8-11],對于結(jié)合實際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件修復(fù)的論文相對較少。本文通過對飛機復(fù)合材料整流罩的大面積穿透性損傷開展修復(fù),降低因新件制造周期長造成的經(jīng)濟浪費,為其他維修企業(yè)后續(xù)進行類似的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件修復(fù)提供了技術(shù)性參考。

        1 整流罩故障分析

        1.1 整流罩故障描述

        在進行復(fù)合材料類零件修理的過程中,由于受到外界沖擊,位于飛機下部的某型整流罩出現(xiàn)產(chǎn)生嚴重損傷。整流罩左側(cè)圓角外表面出現(xiàn)178 mm×145 mm的脫膠故障,其中存在130 mm×120 mm的環(huán)氧樹脂注實蜂窩的故障如圖1(a)所示,在內(nèi)表面相同位置出現(xiàn)270 mm×160 mm面積范圍蒙皮與蜂窩脫膠,包括130 mm×100 mm的蜂窩注實故障如圖1(b)所示。該型整流罩自制周期較長,費用高等因素制約著飛機的交付周期,嚴重影響外場年度任務(wù)的順利執(zhí)行,為了能夠準時交付產(chǎn)品,完成飛機修理任務(wù),對產(chǎn)生故障損傷的復(fù)合材料整流罩進行故障分析及修復(fù)。

        圖1 整流罩損傷形貌

        1.2 整流罩故障分析

        整流罩位于某型飛機下方,迎風面積較大,整流罩迎風面與側(cè)面圓角處容易受到?jīng)_擊損傷,在起飛、爬升和著陸時,容易受到砂石、飛鳥等飛行物的撞擊。此外,在惡劣天氣下,飛機高空快速飛行過程中,雨水和冰雹等環(huán)境因素對整流罩的持續(xù)撞擊也可能造成整流罩一系列故障。目前常見的飛機整流罩故障主要分為蒙皮與蜂窩之間脫膠、蒙皮裂紋、蜂窩松軟塌陷等。

        1.3 故障方案可行性分析

        針對蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的整流罩故障修復(fù)流程如圖2所示。某型飛機整流罩為雙層蜂窩夾層結(jié)構(gòu),在兩層蜂窩中間鋪有一層膠膜起到粘接作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是在受到?jīng)_擊損傷時,一側(cè)蜂窩損傷的狀況下,另一側(cè)可能仍然處于完整外形狀態(tài)。參照整流罩的結(jié)構(gòu)特點,在維修過程中先使用模具支撐一側(cè)外形,通過修復(fù)另一側(cè)蜂窩并完成流線定型過渡,最后通過同樣的方法進行修復(fù)另一側(cè)蜂窩和蒙皮。在本次修復(fù)中,我們通過分析整流罩故障狀態(tài)、修復(fù)困難程度以及修復(fù)技術(shù)條件等因素,決定采用從外蒙皮修復(fù)之后過渡到內(nèi)蒙皮的修復(fù)方式。

        圖2 整流罩故障修復(fù)流程

        2 整流罩詳細修復(fù)過程

        復(fù)合材料的修復(fù)作業(yè)對工作間環(huán)境及待修區(qū)清潔度要求較高,環(huán)境不滿足工藝技術(shù)條件,后續(xù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化的強度將很難滿足零部件的使用要求,對安裝該修復(fù)件的飛機安全產(chǎn)生嚴重的威脅。因此,在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修復(fù)的過程中要嚴格控制作業(yè)環(huán)境及修復(fù)工藝。詳細的整流罩故障修復(fù)如圖3所示。

        圖3 整流罩故障修復(fù)示意圖

        2.1 整流罩修復(fù)前準備

        在進行修復(fù)之前,需對待修區(qū)和工作間進行試修準備。

        (1)使用專用刀片/打磨機沿預(yù)先檢查出脫膠區(qū)輪廓放大25 mm左右切除外蒙皮,觀察并分析內(nèi)部蜂窩脫膠、損壞情況,使用剪刀仔細地去除已經(jīng)損壞的蜂窩,在進行蜂窩去除時盡量沿蜂窩晶格邊界裁剪。使用打磨機將舊蒙皮待修復(fù)區(qū)截面進行修理,打磨成斜面/階梯狀,保障蒙皮和蜂窩之間不存在階差。

        (2)使用吸塵器把待修復(fù)區(qū)的雜質(zhì)清除干凈,之后使用丙酮擦拭并進行干燥處理。在通過技術(shù)人員現(xiàn)場檢查合格后,使用密封膠帶將待修復(fù)區(qū)域封閉,防止灰塵進入蜂窩及空氣中的水分子浸入其他良好蜂窩。

        (3)確保工作間的清潔度、溫度不低于15 ℃、相對濕度不大于80%,工作人員穿專用工作服。

        2.2 新蜂窩的制備

        (1)為了使修補后的整流罩和原蜂窩結(jié)構(gòu)具有很好的貼合性且具有良好的流線型,需要按待修復(fù)面弧度選擇在模具上制備新蜂窩,新制蜂窩的晶格尺寸、高度與原蜂窩相同,輪廓尺寸相對于舊蜂窩稍大一兩個晶格,避免因尺寸差距造成粘接強度不滿足要求。

        (2)將新制蜂窩從模具上小心取下,并與舊蜂窩進行比對,確保蜂窩的輪廓尺寸、弧度滿足損壞蜂窩修補的技術(shù)要求。

        2.3 蜂窩/蒙皮的固化修補

        (1)在損壞蜂窩的中間部分增加一層膠膜,將裁好蜂窩放入膠膜表面上,放置時注意新蜂窩和舊蜂窩之間的粘接。在表面鋪放一層隔離膜,鋪放鋁合板模具進行定型,使用熱補儀進行中溫固化或者施加一定壓力進行常溫固化,使玻璃鋼表皮和蜂窩能夠膠接良好,等蜂窩與原結(jié)構(gòu)固化完全,除去隔離膜,然后在修補的區(qū)域上用銼刀和砂布打磨,使新修補的蜂窩芯與原件平滑過渡,固化及修復(fù)完成的蜂窩形貌如圖4所示。

        圖4 外層蜂窩修復(fù)形貌

        (2)在修復(fù)好的蜂窩表面鋪一層膠膜,用單層厚度為0.1 mm的無堿玻璃布進行制造外蒙皮。按照待修復(fù)面輪廓裁制無堿玻璃布,第一層玻璃布輪廓需覆蓋舊蒙皮第一層修復(fù)面輪廓20~30 mm,第二層蓋過第一層20~30 mm,以此類推,逐層鋪糊玻璃布。在進行鋪粘玻璃布的過程中,注意鋪層中間氣泡的排除。新鋪的玻璃纖維方向與原結(jié)構(gòu)層的纖維方向一致,蒙皮的最外層要附加一層玻璃布起到增強作用。

        (3)整流罩的外層蒙皮完全固化后,使用120#~400#的砂紙打磨,保證整流罩外層輪廓的流線型,外蒙皮修復(fù)的狀態(tài)如圖5(a)所示。內(nèi)層蜂窩損傷的修復(fù)過程類似外層蜂窩的修復(fù),內(nèi)層修復(fù)后的狀態(tài)如圖5(b)所示。

        圖5 故障修復(fù)形貌

        2.4 修理性能檢測

        為了保證產(chǎn)品修理的安全性、可靠性,在進行修復(fù)過程中增加同批次試驗樣件的制作,將試驗制件置于與修復(fù)結(jié)構(gòu)件相同的環(huán)境下進行固化,對應(yīng)試驗樣件的標準尺寸分別參照GB/T 1452、GB/T 1453、GB/T 1455。對固化的試件進行相關(guān)的力學(xué)性能試驗,檢測結(jié)果見表1。經(jīng)與修復(fù)工藝的技術(shù)標準進行對比驗證,整流罩修復(fù)工序的質(zhì)量能夠滿足技術(shù)標準。

        2.5 整流罩的噴漆及裝配

        整流罩修好并經(jīng)檢驗員檢驗合格后進行表面噴漆處理,待漆層完全干燥后,由技術(shù)人員檢查整流罩表面質(zhì)量,對于整流罩出現(xiàn)的局部缺陷進行再次修復(fù),最后將合格品交付裝配人員進行裝機。經(jīng)過修理、檢驗等工序的嚴格檢查以及飛機多次的飛行狀態(tài)顯示,此次整流罩的修復(fù)質(zhì)量完全能夠滿足技術(shù)要求。

        3 結(jié)論

        復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修復(fù)對于相關(guān)的修理單位來說,仍然是未來發(fā)展的一個重要方向。本文通過開展夾芯結(jié)構(gòu)整流罩的大面積損傷故障修復(fù),并很好地保證了修理質(zhì)量,保障了飛機的飛行安全,極大提高了維修廠復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的修復(fù)能力,對今后整流罩復(fù)合材料維修過程中的大面積蜂窩修復(fù)提供了很好的參考價值。后續(xù)工廠將在現(xiàn)有修理技術(shù)的基礎(chǔ)上,緊跟國內(nèi)復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)趨勢,開展現(xiàn)代化、智能化、數(shù)字化的修復(fù)技術(shù)研究。

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