飞机复合材料结构修理研究与分析

飞机复合材料结构修理研究与分析

徐涛  黎璐

凌云科技集团有限责任公司 湖北省武汉市 430040

摘要：随着飞机飞行使用时间的增长，复合材料结构修理需求越来越突出。而开展复合材料修理技术研究是一项系统性工程，其研究方向深远、内容丰富，包括修理容限、无损检测方法及工艺、修理方法、修理选材及固化工艺等诸多方面。而修理过程中，对复合材料最终修理质量影响较大的修理工艺问题往往容易被忽视。因此，系统开展复合材料修理工艺技术研究，对复合材料的修理实施具有重要意义。

引言

在航空工业飞速发展的今天，飞机复合材料由于具有轻质，高强和耐腐蚀的优良特性而被广泛使用，但同时复合材料破坏问题突出，给飞行安全带来潜在的威胁，所以对飞机复合材料损伤检查与维修技术进行研究有实际意义。文章对飞机复合材料的特点及修理方法展开讨论，提出了飞机复合材料损伤检查及维修技术优化措施，以期为促进飞机复合材料损伤检查和修复精度和效率的提高提供理论支持与实践指导。

1飞机复合材料的特点

1.1材料性能特点

飞机复合材料因其特殊的材料性能特点在航空工业占有重要位置。复合材料强度与刚度优异，能经受复杂力学环境的作用，保证了飞机高速飞行及极端情况下稳定安全。该复合材料抗腐蚀、抗老化性能优良，能在多种恶劣环境中长期维持性能稳定并延长飞机使用寿命。该复合材料也达到轻质化设计目的，有效地减轻飞机重量、提高飞行效率、减少能源消耗。

1.2损伤形式与机理

飞机复合材料损伤形式多样、损伤机理复杂多样。常见损伤类型有冲击损伤，疲劳裂纹和环境因素引起的退化。冲击损伤通常是由于外来物体冲击而使材料局部开裂或碎裂；疲劳裂纹是在长时间的应力影响下，材料内部逐步产生的细小裂缝，随着时间的流逝，这些裂缝有可能逐渐扩大并最终导致材料的失效；环境因素如高温和湿度也能破坏复合材料的性能并逐渐劣化。这些破坏形式的存在不仅会影响飞机结构的完整性，甚至会威胁飞行安全。

1.3损伤检查技术现状

目前，飞机复合材料破坏检验技术状况呈多元化，精细化趋势。目前飞机复合材料损伤检查以无损检测技术为主，主要有超声波检测,X射线检测和红外热像检测。这些技术采用非侵入式方法可以精确地探测出复合材料中存在裂纹，分层和其他缺陷等内部损伤。在计算机技术与人工智能飞速发展的背景下，图像识别，机器学习等先进技术逐渐被运用到损伤检查当中，检测效率与准确性得到提升。现有损伤检查技术还面临着对微小损伤识别能力受限和检测时误差控制难题。不断创新与改进损伤检查技术以提高损伤检测灵敏度与可靠性是当前飞机复合材料损伤检查领域中一个重要的研究方向。

2.复合材料修理方法

2.1化妆式修理

如果复合材料的损伤程度不大，这时就需要对其环境进行防护，也就是进行化妆式涂抹修理。这种修理方式最早的时候应用在部分次要的复合材料结构中，如气动整流罩、无线罩（P-2及F-111飞机）。修理时，损伤部位不一定要去除，但最后仍需排除水分。在损伤部位充填一种合适的封装化合物（如纯树脂或者与短纤维的混合物），然后在损伤部位用一层玻璃纤维环氧布密封。

2.2层合加强板

如果结构损伤，尤其是薄的蒙皮及蜂窝夹层壁板的损伤严重程度比较大时，就需要采用化妆式及半结构式的修理方式。通常来说，应先将损伤部位去除，之后排除掉其中的水分，将损害的蜂窝芯子进行置换，亦或是插入泡沫树脂填塞，上面用胶黏剂粘接上加强板，填塞物应是低模量的材料，不承受大的载荷。这并不是一种新的修理方案，已用于蒙皮修理，并仍用于许多轻型通用飞机及超轻型飞机。

2.3斜面补丁

针对比较薄的复合材料结构，如果其由于存在损伤而降低了结构的完整性，就需要采取平头胶接补丁的方式来使其强度得以恢复。这种修理也能够得到光滑的气动力表面。具体的修理操作为：将表面损伤去除，并开一道斜面孔，修理之前还要对层合板进行干燥处理。补丁应设计并切成与孔相匹配，可以预先固化后粘结或与损伤区共固化。共固化的补丁一般强度高。修理时，也可用加强板补丁作为平头补丁的密封件。加强板补丁的厚度不应超过4个铺层，必要时可用低模量材料。

2.4螺栓连接的加强板

如果复合材料的厚度比较大，且需要将结构完整性的界面完全恢复，就需要采用螺接补丁的方式来进行修理。但是，将复合材料结构强度完全恢复的可能性比较小，但恢复设计的承载能力是可行的。根据设计的需要，螺接补丁可以是半平头的或者双搭接式的。修理时，去除损伤部位，做出一环形端面的孔；去掉水分，钻一紧固件孔，将内侧的、平头的以及外侧壁板相连接。补丁及紧固件应涂以密封剂进行湿装配。

3.飞机复合材料损伤检查及维修技术优化措施

3.1先进的无损检测技术应用

先进的无损检测技术在飞机复合材料损伤检查中发挥着至关重要的作用。这些技术通过非破坏性手段，能够高效、快速地检测出复合材料中的各种隐患和损伤，帮助确保飞机结构的安全性和可靠性。红外热成像技术是一种常用的无损检测技术之一。通过监测目标表面的热量分布情况，可以准确地探测出复合材料中的潜在问题，如裂纹、气孔等。其高灵敏度和实时性使得工程师能够及时发现损伤，并制定相应的维修计划。超声波检测技术在飞机结构检测中也具有重要作用。超声波能够穿透复合材料并对其中的内部结构进行检测，发现隐蔽的裂纹、涂层剥落等损伤，且能够提供损伤的位置、大小和形状等详细信息，为后续维修提供重要参考。

3.2智能化维修技术和设备

智能化维修技术和设备是指通过应用人工智能、大数据分析、自动化控制等先进技术，实现对飞机复合材料损伤检查和维修的智能化和自动化的过程。这种技术的引入不仅提高了维修效率，减少了人为因素造成的误差，还使得飞机维修过程更加高效、精准和可靠。智能化维修技术和设备利用人工智能技术，自动识别、定位和分析复合材料的损伤情况。通过机器学习算法，智能系统能够积累大量数据并进行模式识别，以准确、快速地确定复合材料损伤的位置、类型和严重程度，为后续维修工作提供关键信息。智能化维修技术和设备采用自动化控制技术，实现对复合材料损伤的智能修复和人机协同操作。智能化维修技术和设备结合大数据分析，能够建立起庞大的数据库，记录和分析每次维修过程中的数据、经验和教训，从而形成更为完善的维修标准和流程。

3.3优化维修工艺流程

为了提高飞机复合材料损伤检查及维修技术的效率和可靠性，优化维修工艺流程是至关重要的。一个合理精准的工艺流程设计可以有效地提升维修效率和质量，减少误操作和损失，确保飞机结构的安全性和可靠性。优化维修工艺流程需要从损伤检查到维修方案设计、实施再到验收阶段全面考量。在损伤检查阶段，应结合先进的无损检测技术，快速准确地确定损伤的类型、大小和位置。在维修方案设计阶段，根据损伤的严重程度和性质，科学地选择合适的维修方法、材料和工具，确保维修效果符合要求。优化工艺流程需要严格制定维修操作规范和程序。明确各个步骤的具体操作要求、时间节点和质量标准，确保每一道工序都严格执行，并进行实时记录和监控。

结束语

飞机复合材料的损伤检查和维修技术是保障飞机结构完整性和航行安全的重要保障。随着航空业的发展和飞机结构材料的不断更新，对复合材料的损伤检查和维修技术提出了更高的要求和挑战。在未来的研究和实践中，我们将继续关注飞机复合材料损伤检查及维修技术的发展趋势，持续推动先进技术的应用，不断改进和完善现有的技术和流程，以确保飞机运行的安全性和可靠性。

参考文献：

[1] 白明玉.飞机复合材料损伤检查及维修技术研究[J].科技创新与应用, 2023, 13(32):173-176.

[2] 陈露薇.飞机复合材料夹层结构穿透性损伤修理工艺分析[J].中国设备工程, 2023(10):94-96.