民機復合材料結構修理設計與驗證思路研究

張洪峰

【摘 要】為了保證運營期間的持續(xù)適航性，民機復合材料結構應當具有良好的可維護性。本文從適航要求出發(fā)，通過三方面梳理了在民機研制階段復合材料結構修理設計與分析應當遵循的思路，為復合材料結構修理研究提供參考。

【關鍵詞】修理設計；修理工藝；ADL；RDL

中圖分類號： V250.2 文獻標識碼： A 文章編號： 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

復合材料因其優(yōu)越的性能越來越廣泛用于航空領域，國外新一代民機，如Boeing787的復合材料用量甚至達到50%。在飛機研制中大量應用復合材料是降低成本、提高性能和市場競爭力的重要因素之一，也是衡量我國新一代民機技術水平先進性的重要標志。

民航客機一旦交付使用，用戶必然提出有關修理和使用保障的問題。飛機結構修理手冊（以下簡稱SRM）的完備和可操作性成為飛機安全運營的重要保證。對于民機復合材料結構，修理手冊的內(nèi)容需要經(jīng)過驗證得到適航當局批準才能交付航空公司使用。在飛機研制階段，主制造商應當對復合材料結構的設計與分析給予高度重視。

1 關于修理驗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AC20-107B.10（c）中關于修理證實提供的方法為[1-2]：

1）當FAA批準的文件或維護手冊中給出了修理方法時，應該用分析和/或試驗來驗證該修理方法和技術會使結構恢復到適航狀態(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)可修理結構部件損傷詳情的可修理損傷限制（以下簡稱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（以下簡稱ADL）。RDL和ADL均必須基于足夠的分析和試驗數(shù)據(jù)，來滿足本咨詢通報中概述的使用結構的證實要求和其他考慮。對設計研制時沒有考慮的損傷類型和尺寸，通常需要有附加的證實數(shù)據(jù)。某些損傷類型可能需要專門的外場修理指令和相關的質量控制。膠接修理要遵從與基準設計同樣的結構膠接考慮。

2）希望完成經(jīng)批準修理文件范圍之外的主要修理或更換工作的運營商和維護修理機構，應意識到為保證已獲認證結構的適航性所需要的大量分析、設計、工藝和試驗，應保存該項證實的文件記錄和適航批準，以支持后續(xù)的維護工作。

解讀：

（1）具體機型的維修手冊中要包括復合材料結構的修理工藝和方法；

（2）修理手冊中的工藝方法要經(jīng)過分析和試驗驗證；

（3）修理工藝和方法要保證結構恢復到適航標準；

（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數(shù)據(jù)；

（6）對RDL和ADL的分析與試驗，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計中膠接結構分析/試驗方法；

（8）應注意保存修理研究中所形成分析、設計、工藝和試驗的各種文件記錄，以備適航需要。

通過對咨詢通報AC20-107B相關內(nèi)容的解讀，筆者認為飛機復合材料結構修理的設計與分析應當從三個方面來進行研究：修理設計與工藝驗證，修理容限的設計與分析、結構修理驗證與手冊編制。

2 修理設計與修理工藝驗證

經(jīng)驗證的修理設計和工藝應滿足與原飛機結構同樣的性能要求，修理工藝將包含在SRM中，因此在研制中應對研究工作進行文件記錄，以備適航需要。修理設計與工藝驗證工作應當包括以下內(nèi)容：

（1）針對結構進行分區(qū)，確定可接受的修理工藝。

（2）針對不同的耐久性要求，制定臨時修理、中間修理和永久修理方案。

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

（4）通過試驗給出修理設計許用值。對于某一特定的修理材料和修理工藝，應采用模擬該修理工藝和材料的二維簡單試樣，進行修理設計許用值試驗，獲得強度恢復率B基準值。膠接修理設計許用值試驗件如圖1所示。

（5）在元件級別對關鍵修理特征和分析方法進行證實。一般采用圓形修理元件級試驗件對修理工藝進行驗證。通過剩余強度試驗對修理分析方法進行證實。

3 修理容限的設計與分析

修理容限指結構缺陷或損傷要修或不要修、能修或不能修的兩個定量的界限，即ADL和RDL，損傷的嚴重程度與可檢性、損傷部件、損傷部位有關[6]。

修理容限與結構安全性和可操作性密切相關，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的標準：ADL的尺寸必須盡可能大，同時仍滿足極限載荷要求，既能滿足結構安全性要求，又能滿足航空公司的經(jīng)濟性要求。

（2）RDL的標準：RDL的尺寸考慮膠接修理的耐久性問題，考慮當修理補片完全脫落時，帶缺陷的結構仍能承受限制載荷的能力。

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

試驗研究：

（1）無缺口層壓板靜強度試驗矩陣。應當包含結構實際鋪層，并考慮偏角，設計完備的試驗件矩陣，獲得B基準值。載荷類型主要包括拉伸和壓縮試驗。

（2）含不同缺陷形式的層壓板靜強度試驗矩陣。應考慮不同缺陷類型、不同缺陷尺寸和試驗件寬度的試驗件，以獲得拉伸、壓縮剩余強度曲線，同時應進行部分疲勞試驗，以證實疲勞對剩余強度的影響。

（3）含缺陷的復合材料的靜強度和疲勞試驗。，除了元件試驗外，還需進行能夠反映結構特征的典型結構件級試驗，為全尺寸試驗提供依據(jù)。選擇最嚴重的缺陷形式和尺寸，在加筋板級將損傷引入結構特征位置，進行疲勞試驗和剩余強度試驗。

理論分析：

理論分析主要是利用試驗數(shù)據(jù)，采用一定的工程分析方法，結合飛機實際結構的安全裕度，來確定具體結構安全裕度為0時的ADL和RDL值，。目前常采用的含缺陷復合材料結構剩余強度工程分析分析方法有：點應力準則、平均應力準則和Mar-lin模型。此類方法均是基于試驗數(shù)據(jù)對剩余強度進行擬合與外推的方法，在工程中得到較多的應用。

4 結構修理驗證與手冊編制

前兩節(jié)的研究為試樣級和結構件級的工作，還需要在更大尺度上如部件級和全尺寸級對關鍵結構修理特征和分析方法進行證實。部件級和全尺寸試驗還用于證實結構設計概念、穩(wěn)定性、載荷重新分配等問題，復合材料結構修理全尺寸驗證試驗可以與損傷容限和疲勞試驗在同一件試驗件上完成。

在進行設計、分析和驗證驗證工作的同時，應當同時啟動飛機結構修理手冊的編制。以B787-8為例，以B787-8為例，說明SRM涉及復合材料結構所包含的章節(jié)及其內(nèi)容。在手冊中，涉及復合材料結構章節(jié)可分為兩大類。一類是通用指南，主要包括對損傷的分類和檢查方法、對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、標準化的修理工藝等內(nèi)容。另一類是各復合材料部件的結構識別（SI）、ADL和RDL，在這些章節(jié)中，將會引用到第一類章節(jié)中。

5 結束語

本文通過對咨詢通報AC20-107B關于飛機復合材料修理驗證方法的解讀，通過三方面的內(nèi)容梳理了飛機研制階段應當遵循的復合材料結構修理設計與分析思路，以滿足飛機持續(xù)性適航要求，可為飛機復合材料結構的研制提供技術參考。

【參考文獻】

[1]中國民用航空總局.CCAR-25-R4中國民用航空規(guī)章第25部：運輸類飛機適航標準[S].北京：中國民用航空總局，2011.

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

[3]CMH-17協(xié)調(diào)委員會. 復合材料手冊3：聚合物基復合材料—材料應用、設計和分析[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[4]虞浩清，劉愛平.飛機復合材料結構修理[M].北京：中國民航出版社，2010.

[5]陳少杰.復合材料結構修理指南[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.