复合材料结构修理

陈绍杰

（沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035）

复合材料结构修理

陈绍杰

（沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035）

叙述了复合材料的缺陷和损伤的分类，以及损伤容限和修理要求，特别是修理方法等也分别作了论述。此外建议仔细阅读美国的FAA AC20-107B等文件，因持续适航的需要。

复合材料；结构；修理；缺陷和损伤

0 引言

以高性能增强纤维，特别是以碳纤维为增强相的先进复合材料，近来在国内外取得了人所共知的快速发展。仅以航空而言，国外的军民用飞机复合材料占全机结构质量分数均已达到约50%的水平，直升机、无人机、通用飞机则多已达到80%～90%的水平。国内的水平虽有相当的差距，但近年来也有了长足的长进。隐身战机J-20和J-31已用到机翼、机身的主承力部位，质量分数占20%以上，大型民机C919、大型军用运输机运-20、水陆两用救援灭火飞机蛟龙600等机种，各自应用先进复合材料质量分数估计约10%。直升机、无人机、小型的通用飞机应用则要多一些，有些已接近全复合材料飞机。民用复合材料产品的发展也呈良好的态势，风机叶片的产量已超过美国，达世界第一，已开始在大型叶片上正式应用碳纤维复合材料，汽车轻量化领域复合材料的应用也正方兴未艾。正是应用的发展扩大了复合材料结构修理的应用需求，国内应加大该方面的研发力度。

1 修理技术的研发态势

国内外复合材料的修理技术研发均是以航空为主开始研发的。国外从1980年代初开始研究，现问题已获基本解决，成套的设备如热补仪等已大量出售，专门的修理人员已完成培训持证上岗。各大飞机公司均有结构修理手册（SMR），规定有具体的修理方法和措施指导修理。美国和欧洲早就共同组建了“商用飞机复合材料修理委员会”（CACRC），旨在统一规范、统一材料、扩大规模和降低成本。但研发工作并未停止，仍在继续进行中，向着机械化、自动化、信息化和较大面积的修复纵深发展。国内则于1990年代初开始研究，有些单位已建立了修理站，如航空材料研究院，进入了实际修理。在初步总结研发成果的基础上，我们于2001年出版了《复合材料结构修理指南》，此后国内很多研发和应用单位均已开展了具体的研究工作。但我们的研究尚不够具体深入，缺乏大型的随机修理验证，疲劳耐久性试验做得不充分，缺乏强有力的组织领导和卓有成效的交流。航空等军用领域的研究好一些，民用领域如风机叶片、汽车等领域的研究尚未起步，明显落后较多。

2 修理对象

修理对象主要系指复合材料结构于生产和使用中产生的缺陷和损伤，其各有专门的定义和规定。

缺陷通常是生产制造过程中产生的问题，是制件先天的问题，如分层、脱胶、压陷、空隙、夹杂、富脂、贫脂、翘曲、铺层方向不对、角度不准、次序不对、厚度超差等。其来源于未严格遵守工艺规范，质保和质检措施不力。上述的缺陷类型是我们在生产制造进程中会经常遇到的，手工情况尤甚，若是自动铺带和自动铺丝先进工艺有些情况会好一些。缺陷在有些情况下能修，有些则不能修。如铺层方向不对、角度不准、次序不对等则不能修。

损伤通常是加工和使用中产生的问题，是制件后天产生的问题，如分层、脱胶、划伤、压陷、错钻孔、孔边损伤、冲击损伤、雷击损伤、战伤、裂纹、燃烧/过热等，这些损伤亦是我们在加工和使用中经常出现的。理论上所有的损伤都是可以修复的。

我们罗列了缺陷和损伤的主要类型，这是必要的，因为这些缺陷和损伤的存在，构成了我们修理工作的主要对象，研究缺陷和损伤的标准、确立具体的修理方法，才是我们具体的工作内容。

3 修理容限

下面我们给出一个重要的定义，即修理容限。其定义是制件的缺陷与损伤要修与不要修、能修与不能修的两个重要的定量界限点，详见图1。

图1 修理容限

这意思在于说明，并非所有的缺陷与损伤都是要修的，只有落在修理范围内的缺陷和损伤才是修理的对象。复合材料构件生产交付时要有一个规定的验收标准，以决定接受或拒收。这个标准实质上即为修理容限中修与不修的界定点。而上面的能修与不能修的界定点则是生产构件时决定报废的界定点，即已严重超差，不能使用。故定量化的确定该两点十分重要。合理、准确的定出损伤容限要有试验研究的基础和生产、使用的经验。针对各种类型的缺陷和损伤给出定量的标准是比较复杂的，并非易事。

美国在其最近新颁布的咨询通报AC20-107B复合材料飞机结构中提出了RDL（Repairable Damage Limits），可修损伤限制ADL（Allowable Demage Limits），许用损伤限制，实质上即为修理容限的两个界限点。而我们早在2001年即已提出，并写进了《复合材料结构修理指南》中，这抑或是我们中国人的创新。

4 修理要求

修理要满足一系列要求，主要有：

⑴ 满足结构的强度和刚度要求，即恢复结构原有的承载要求。

⑵ 满足耐久性要求，包括结构疲劳、腐蚀、环境影响等问题的要求。

⑶ 恢复结构的全部使用功能，包括燃油系统密封、雷击防护、军机隐身等功能。

⑷ 修理增质量要小，并注意操纵面的质量平衡。

⑸ 修后气动外形变化要小，满足空气动力学要求。

⑹ 修理时间要少，修理的效率要高。

⑺ 修理成本要低，花费要少。

简言之，就是要求给出优质、高效和低成本的修理方法。在满足上述一系列的边界条件后，才可开始具体的修理技术研究。

5 修理方法

复合材料结构修理包括4 个要素，即修理设计、修理选材、修理方法及修理设备和工具。其中修理方法是研究中的重要核心，为此我们给出了图2。

胶接与机械连接的优缺点详见表1。

其中胶接修理中的贴补与挖补是永久性的修理方法，是我们研究中的重中之重。贴补只适用于较薄的板，大量适用的是挖补，挖补中现在多用的是斜接法。所有给出的方法均要通过试验验证，要既作元件的修理验证，也要作部件级的验证，既要作静力试验，也要作疲劳耐久性试验，因为修理一旦作出，要跟制件一辈子，要保证在整个寿命期内没有问题。

进入修理的典型结构可有表面划伤、擦伤、压痕、边缘和孔边损伤、层压板结构、加筋板结构、蜂窝夹层结构、雷达罩结构等。其中蜂窝夹层结构亦是经常受损结构，损伤可有穿透和非穿透损伤两种，修理办法亦基本属于贴补和挖补。给出胶接修理的简要流程见图3。

图2 修理方法

表1 胶接与机械连接的比较

6 修理中的无损检测

修理中要注意无损检测，因为复合制件中的缺陷与损伤需经无损检测予以发现和评估：部位、类型、大小、影响程度等，以便为修理提供判断和依据。修理后也要进行无损检测或跟踪检测，以确定修理的质量和效果。

常用的无损检测方法包括目视检测、敲击检测、阻抗法、超声扫描、X射线等，厂内修理好办一些，因检测方法比较齐备，如在外场修理则还要用到便携式检测设备，现已多有出售，可买来应用。

7 使用保障和持续适航

使用保障是一个结构系统在其寿命期内在规定的环境条件下不受限制地使用所需要的与可能的后勤保障的综合量度。其主要内容包括了复合材料结构生产和使用过程中的可检性、可维护性、互换性和可更换性，其中最重要的是可修理性。

美国在其著名的MIL-HDBK-17中开僻专章论述这一问题，说明了其重要性。使用保障是复合材料结构设计整体中的一个部分，使用保障设计

图3 胶接修理的简要流程图

的基本思想在于减少修理、便于修理和降低维修的成本。在这一章中具体讲授了各种复合材料结构的修理办法。

应该特别指出2009年美国最新颁布的AC20-107B，是复合材料飞机结构适航鉴定的重要文件，其中较多地增加了复合材料结构修理的内容和要求，特别是增加了第10部是“持续适航”，其大部分内容均与修理有关，如“修理”、“修理的证实”等相关的内容规定，说明对修理问题的重视和修理问题的重要及其对持续适航问题的影响。希望国内同仁能认真阅读该文件，并在飞机复合材料构件的研制中酌情贯彻执行。

8 结束语

从以上的简述中可见，飞机结构复合材料构件的修理研究开展得比较认真仔细，已得出的方法比较完备和具体。我们应该看到其基本上也适用民用复合材料的修理问题，如现在的汽车用复合材料的修理，修理方法基本相同，只是构件较飞机上要小得多，试验验证的范围较飞机上也要小得多。

[1] 陈绍杰. 复合材料结构修理指南[M]. 北京: 航空工业出版社, 2001.

[2]乔新. 波音飞机复合材料结构修理教程[M]. 北京: 中国民航出版社, 1996.

[3]MIL-HDBK-17-3F, DOD, USA, 2002-06-17.

[4]陈绍杰. 复合材料结构修理及使用保障技术[J]. 航空制造工程, 1995, [3]: .

[5]FAA AC20-107B Composite Aircraft Structure, 2009-09-08.

The structure repair of advanced composite

CHEN Shao-jie
( Shengyang Aircraft Design and Research Institute, Shengyang 110035 China )

The structure repair is needed for application developpments. The flow and damage categorg were ihastrated. The damage tolerance, repair main poinds were indicated respectively. The repair mothods were indroduced especialy. Some suggestions were put forward that American FAA AC20-107B should be readed carefuly.

advanced composite; repair; flow and damage

V267.46

A

1007-9815（2016）06-0012-03

定稿日期: 2016-12-26

陈绍杰（1942-），男，吉林长春人，研究员，长期从事飞机结构设计及其先进复合材料发展的研究，(电子信箱) shaojie601@126.com。