复合材料方向舵结构维修技术研究

丁梅

摘要：本文论述了某型民用飞机方向舵复合材料结构在研制设计过程中应遵循的维修性设计目标，使维修性设计目标在方向舵复合材料结构设计时得以保证。详细说明了方向舵复合材料结构在生产使用过程中出现的常见损伤类型及修理方法。

关键词：方向舵;复合材料;结构维修

引言

随着复合材料加工和生产技术的飞速发展，复合材料在民用飞机上的用量已经大幅度增长。波音787采用了全复合材料机身，其机翼、短舱及内饰也使用了大量的复合材料。空客A350XWB飞机上复合材料的用量高达53%。

伴随着复合材料在新型飞机上的广泛应用，其维护和修理问题变得更加突出。复合材料结构修理技术已经成为飞机复合材料结构研制与维护中的一项关键技术。本文结合结构维修性设计目标，针对某型飞机方向舵复合材料在生产制造过程中出现的损伤，对复合材料常见的修理方法进行介绍。

1.方向舵结构概述

某型民用飞机方向舵采用“单梁+复合材料夹层结构蒙皮+少肋”的结构形式，沿方向舵铰链轴线共布置7个铰链点和3个操纵点，翼尖罩用于维持方向舵上端气动外形。利用夹层结构的刚度、强度优势，极大地减少了肋的数目，降低了结构重量及制造成本。

壁板采用碳纤维面板加蜂窝的夹层结构形式。梁使用复合材料制造，截面为“C”形;为提高梁腹板的刚度，在铰链接头和操纵接头的对应区域使用了三块蜂窝分别进行加强。在上下端面、作动器接头和铰链接头对应位置分别布置6个肋，上端肋为铝合金机加件，截面为I型;其余肋均采用碳纤维复合材料蜂窝夹层结构，截面均为C形。翼尖罩曲面外形较复杂，选用玻璃纤维制造。

2.结构维修性设计目标

维修性是决定民用飞机维修品质的关键因素，对飞机的可靠度、利用率及經济性等具有决定性作用。维修性设计的目标是保证设计、研制和生产的飞机满足规定的适航要求，提高飞机的签派可靠度，减少对飞机人力及其他资源的要求，降低运营成本，使飞机具有良好的经济性和市场竞争力。

2.1为系统、设备提供良好的维修条件

飞机的维修性主要反映在飞机的各个系统上，如操作系统、燃油系统、电气系统、发动机系统等。为这些系统、设备提供良好的维修条件是飞机结构维修性的一个重要内容。

2.2提高结构本身的维修性

机体结构本身需要正常维护和修理。日常维护包括一些活动部件的间隙检查、磨损检查和更换。机体结构在规定的维修间隔时间内，不应当出现损伤，或者仅仅出现不影响飞行任务的故障。

2.3缩短维修停飞时间

尽量采用无维修和很少需要预防性维修的设计。

飞机机体结构设计时，所采用的材料、工艺应从使用部门的维修能力和实际条件出发，以便于减少维修时间。

2.4降低维修费用

飞机在运营过程中，在一般技术水平的维护人员操作下，减少每飞行小时的维修工时，提高维修效率，延长飞机结构的使用寿命，使飞机结构的直接维修费用低于或等于同类型飞机的相应指标。

3.方向舵复材结构的损伤类型

某型飞机方向舵复合材料主要以碳纤维-蜂窝夹芯板结构为主，产生损伤最主要的原因是冲击损伤，常见损伤如下：

（1）分层和脱胶。分层是复合材料层压板结构的层与层之间出现的分离破坏。分层主要是飞机遭受外来物撞击或受载荷作用而引起的。分层可能发生在复合材料结构件的内部、边缘以及孔周边。脱胶通常是指夹层板面板与蜂窝夹芯的粘结面由于受潮、进水以及外物碰撞、冲击或者受力过大等原因而出现的分离破坏。

（2）凹坑。凹坑是指受外物撞击后复合材料构件表面出现的凹陷破坏，通常内部伴随有分层或脱胶。

（3）外物完全穿透复合材料面板，形成空洞，通常是由尖锐物体冲击而成。

（4）擦伤。由于碰撞、摩擦或刮划而引起的划伤、刻痕、刮痕等表面损伤。擦伤使构件表面粗糙、表面材料缺失。

（5）裂纹。复合材料结构件受交变载荷的作用，在基体树脂材料中出现的裂纹。

（6）烧伤。复合材料遭遇明火或雷击而引起的烧伤、烧蚀损伤。

（7）夹芯损伤。夹芯损伤是指夹芯结构受到外物撞击所引起的夹芯压瘪或夹芯中进水而引起的腐蚀等损伤。

4.方向舵复材的修理方案

目前现有飞机复合材料的结构修理方案，均考虑不同结构部位、不同缺陷/损伤类型和不同的损伤程度。修理方案设计中常用的修理方法有机械修理方法、贴补法和挖补法。

4.1机械连接修理

机械连接修理，它是在损伤结构的外部用螺栓或铆钉固定外部补片，使损伤结构遭到破坏的载荷传递路线得以重新恢复的一种修理方法。连接方法大多采用螺栓连接，亦可采用铆钉连接，尤其是单面铆接。由于复合材料具有脆性及各向异性的属性，螺栓孔或铆钉孔边会产生应力集中，导致抗疲劳性能不佳。根据设计的需要，补片可以是半平头的或者双搭接式的。当采用铝合金等金属补片时，应注意电化学腐蚀问题。补片及紧固件应涂以密封剂进行湿装配。

4.2胶接修理法

胶接修理方法通常比机械连接修理更加可靠，不会产生孔而导致应力集中。胶接修理又分为胶接贴补修理和胶接挖补修理。

4.2.1胶接贴补修理

胶接贴补修理方法适用于外场修理，多用于平面形制件，板厚较薄、载荷不大、气动外形要求不高的结构，用胶接的方法将补片贴于复合材料制件的缺陷或损伤部位。在飞机表面胶接贴补修理时，为了使连接处截面变化较为缓和，补片四周一般做成斜削的形状。胶粘剂选择时应满足剪切强度和剥离强度的要求。

4.2.2胶接挖补修理方法

对受冲击损伤的复合材料层合板和蜂窝结构挖补修理是一种非常有效的修理方法，可以最大限度的恢复结构的强度。这种修理方法可以得到光滑的气动力表面。修理方法是挖去损伤或缺陷的部位，留下一个具有锥度的孔，先对层合板进行干燥处理，然后再用复合材料补片通过胶接的方法将其修补完整。补片应设计并切成与孔相匹配，可以预先固化后粘结或损伤区域共固化。共固化的补片一般强度更高。方向舵层合板结构和蜂窝夹芯结构填补时均可采用阶梯挖补和楔形挖补法。

5.结束语

复合材料在飞机结构上的大规模应用，迫使使用维护人员去研究复合材料的使用及维护特性，并利用先进的技术设备及时检测出复合材料构件的损伤和缺陷，做出准确评估进而实施合理的维修。这对于保证构件的完好状态以及飞行安全具有至关重要的意义。

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（作者单位：中航复合材料有限责任公司）