民用飛機結構再制造工程概論

范耀宇

【摘 要】闡述再制造工程現(xiàn)狀、典型工藝，并從頂層規(guī)劃了民機結構再制造工程研究思路、總體框架和關鍵技術。

【關鍵詞】民用飛機；結構；再制造；超聲噴丸；激光沖擊；疲勞；損傷容限

【Abstract】This article states the status of re-manufacture， typical re-manufacture process. It is also planning the method， outline and critical issues of civil airplane structure re-manufacture program from the top level.

【Key words】Civil airplane； Structure； Re-manufacture； Ultrasonic peening； Laser shock peening； Fatigue； Damage-tolerance

0 引言

再制造工程是以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導，以廢舊產(chǎn)品實現(xiàn)跨越式發(fā)展為目標，以優(yōu)質、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準則，以先進技術和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，修復、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術措施或工程活動的總稱，簡言之，再制造工程是廢舊產(chǎn)品高科技維修的產(chǎn)業(yè)化。

國際上，歐美等發(fā)達國家的再制造已深入到汽車、工程機械、工業(yè)設備、航空結構、國防裝備、電子電器等各個領域，已形成以“換件和尺寸修理”為特征的較為完善的技術體系，如美軍完成了750架阿帕奇直升機的再制造，歐美每年都有大量各類民機結構件通過再制造工程進行損傷修復。

國內，再制造工程主要應用于汽車、電子工程等領域，民用飛機領域未有深入涉及，而我國民航的維修市場總量較為龐大，據(jù)統(tǒng)計，2010年已經(jīng)達到23.2億美元，到2015年我國民航運輸總周轉量增至800～900億噸公里，相應的維修工作量將比2010年增加70%～100%，開展民機再制造工程將具有巨大經(jīng)濟效益，是我國綠色、可持續(xù)民機產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

同時，隨著國家大力發(fā)展自主研制的民機產(chǎn)業(yè)和重點型號研制不斷取得突破，特別是ARJ21-700飛機已成功取得中國民航適航證，進入交付使用階段，使得國內相關研制單位具有開展民機再制造工程研究的技術基礎和經(jīng)濟動力。

1 再制造工藝

據(jù)統(tǒng)計，80%以上民機結構失效事故起因于結構表面意外損傷（如刮傷、凹坑、穿孔和/或分層等）和加工缺陷（如刀痕、劃傷及露于表面的冶金缺陷等），民機結構再制造主要目的是通過表面強化工藝修復結構件的疲勞性能，在種類繁多的各類再制造表面強化工藝中，以超聲噴丸和激光沖擊最具有應用前景。

1.1 超聲噴丸

超聲噴丸是一種利用由超聲波轉化來的機械振動沖擊載荷作用于金屬材料表面，以實現(xiàn)強化的工藝技術。

超聲噴丸強化系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿、振動工具頭和噴丸室等部分組成，如圖2。

2007年，C.A. Rodopoulos等人對比了數(shù)控噴丸、激光沖擊和超聲噴丸（工具頭為撞針）三種方式對2024-T351鋁合金疲勞壽命的改善效果，表明超聲噴丸能在材料表面產(chǎn)生殘余壓應力、顯著改善構件疲勞性能，如圖3。

1.2 激光沖擊

激光沖擊強化（ Laser shock processing/Peening）是利用高功率密度（大于109/cm2）、短脈沖的強激光誘導的高壓沖擊波對材料表面實施改性的一種技術。

激光沖擊過程為高功率密度（GW/cm2量級）、短脈沖（ ns量級）的強激光穿過透明約束層沖擊金屬靶材，吸收層充分吸收高能激光的能量，在極短時間內汽化電離、形成一個高溫高壓的等離子體層，等離子體膨脹受到約束層限制、壓力進一步提升，當沖擊波峰值壓力值大于材料的動態(tài)屈服強度時，金屬靶材強化區(qū)域的材料發(fā)生動態(tài)屈服和塑性變形，產(chǎn)生殘余壓縮應力，同時產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯結構，從而達到改善材料強度、耐磨性、耐腐蝕性和提高疲勞壽命的目的，如圖4。

2 民機結構再制造工程研究框架

2.1 總體研究思路

當前階段，國內民用飛機結構再制造工程應以再制造工藝研究為核心、結合民機結構特征，建立有效的再制造工藝數(shù)值分析方法、并修正已有的民機結構疲勞/損傷容限分析方法，為后續(xù)民機結構再制造工程適航符合性驗證積累數(shù)據(jù)、夯實基礎，故總體研究框架如圖5，總體研究思路如下：

1）根據(jù)已有理論和工程表面強化機理，形成再制造工藝數(shù)值分析方法，建立工藝參數(shù)的數(shù)值模型，優(yōu)選出參數(shù)組合，并用大量的疲勞和損傷容限試驗加以驗證；

2）統(tǒng)計民機結構疲勞薄弱部位裂紋特征，結合再制造工藝機理，基于斷裂力學理論和試驗數(shù)據(jù)，形成構件實施再制造工藝后表面裂紋產(chǎn)生/擴展機理數(shù)值分析方法，同時制定適合工程運用的結構再制造工程疲勞/損傷容限評估方法；

3）基于民機結構典型結構形式和布置，從結構分解可行性、安全性及經(jīng)濟性等角度出發(fā)，結合再制造工藝操縱空間、設備廠房等實施要求和航空公司營運保障體系特征，形成民機結構再制造工程實施指南。

2.2 關鍵技術

民機結構再制造工程主要關鍵技術有：

1）典型結構疲勞薄弱部位裂紋特性研究

根據(jù)型號研發(fā)階段的疲勞試驗、分析和綜合航空公司營運數(shù)據(jù)，通過目視檢測、CT掃描和X光檢測等無損檢測技術手段，將典型結構疲勞薄弱部位缺陷和損傷類型及裂紋尺寸進行統(tǒng)計分析，形成民機結構疲勞損傷統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。

2）再制造工藝參數(shù)數(shù)值仿真模型研究

建立典型再制造工藝數(shù)值模型，數(shù)值化各工藝參數(shù)，測定材料本構方程參數(shù)，根據(jù)接觸力學等理論，建立再制造工藝的構件表面質量、殘余應力、組織變化、硬度等表面特性/亞表面特性的數(shù)值分析方法。

3）再制造工藝試驗驗證及疲勞/損傷容限性能測定

針對典型再制造工藝，在工藝參數(shù)數(shù)值仿真分析的基礎上，優(yōu)選參數(shù)組合，結合結構疲勞薄弱部位裂紋特征，對于不同材料、不同類裂紋模式的構型組合進行材料級或零件/組件級的疲勞和損傷容限特性試驗、測定相關性能數(shù)據(jù)。

4）再制造工藝疲勞/損傷容限評估方法研究

根據(jù)彈塑性理論和工程力學方法，基于再制造工藝數(shù)值分析和試驗數(shù)據(jù)，發(fā)展典型結構再制造工藝裂紋擴展仿真技術，修訂成熟的典型結構疲勞/損傷容限評定技術，形成再制造構件疲勞/損傷容限評估方法。

3 結束語

2003年8月，科技部和中國工程院在論證制定我國2020年中長期科學技術發(fā)展規(guī)劃第三專題《制造業(yè)發(fā)展科學問題研究》時，將“機械裝備的自修復與再制造”列為19項關鍵技術之一，經(jīng)過十多年的發(fā)展，當前，初步具備了將再制造技術引入民用飛機領域的基礎。本文所闡述的再制造工程現(xiàn)狀、典型工藝、民機結構再制造工程研究思路、總體框架和關鍵技術的頂層規(guī)劃，可為國內民機結構再制造工程實施指明方向。后續(xù)，民機結構再制造工程需進一步研究再制造的適航符合性，特別是對于具有廣布疲勞特征結構的再制造適航安全性工作。

【參考文獻】

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[2]劉海英，等.超聲噴丸強化產(chǎn)生殘余應力的有限元分析[J].新技術新工藝，2008（1）：25-28.

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[責任編輯：湯靜]