民机复合材料结构修理设计与验证思路研究

张洪峰

【摘 要】为了保证运营期间的持续适航性，民机复合材料结构应当具有良好的可维护性。本文从适航要求出发，通过三方面梳理了在民机研制阶段复合材料结构修理设计与分析应当遵循的思路，为复合材料结构修理研究提供参考。

【关键词】修理设计；修理工艺；ADL；RDL

中图分类号： V250.2 文献标识码： A 文章编号： 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

復合材料因其优越的性能越来越广泛用于航空领域，国外新一代民机，如Boeing787的复合材料用量甚至达到50%。在飞机研制中大量应用复合材料是降低成本、提高性能和市场竞争力的重要因素之一，也是衡量我国新一代民机技术水平先进性的重要标志。

民航客机一旦交付使用，用户必然提出有关修理和使用保障的问题。飞机结构修理手册（以下简称SRM）的完备和可操作性成为飞机安全运营的重要保证。对于民机复合材料结构，修理手册的内容需要经过验证得到适航当局批准才能交付航空公司使用。在飞机研制阶段，主制造商应当对复合材料结构的设计与分析给予高度重视。

1 关于修理验证要求和方法的解读

为满足CCAR25.1529“持续适航文件”条款要求，咨询通报AC20-107B.10（c）中关于修理证实提供的方法为[1-2]：

1）当FAA批准的文件或维护手册中给出了修理方法时，应该用分析和/或试验来验证该修理方法和技术会使结构恢复到适航状态。必须明确规定和用文件发布描述基于现有数据可修理结构部件损伤详情的可修理损伤限制（以下简称RDL）。还必须明确规定和用文件发布不需要修理的允许损伤限制（以下简称ADL）。RDL和ADL均必须基于足够的分析和试验数据，来满足本咨询通报中概述的使用结构的证实要求和其他考虑。对设计研制时没有考虑的损伤类型和尺寸，通常需要有附加的证实数据。某些损伤类型可能需要专门的外场修理指令和相关的质量控制。胶接修理要遵从与基准设计同样的结构胶接考虑。

2）希望完成经批准修理文件范围之外的主要修理或更换工作的运营商和维护修理机构，应意识到为保证已获认证结构的适航性所需要的大量分析、设计、工艺和试验，应保存该项证实的文件记录和适航批准，以支持后续的维护工作。

解读：

（1）具体机型的维修手册中要包括复合材料结构的修理工艺和方法；

（2）修理手册中的工艺方法要经过分析和试验验证；

（3）修理工艺和方法要保证结构恢复到适航标准；

（4）RDL和ADL需要给出明确的定义；

（5）RDL和ADL的定义必须基于足够多的分析和试验数据；

（6）对RDL和ADL的分析与试验，要充分考虑各种损伤类型和尺寸；

（7）胶接修理可以参考初始设计中胶接结构分析/试验方法；

（8）应注意保存修理研究中所形成分析、设计、工艺和试验的各种文件记录，以备适航需要。

通过对咨询通报AC20-107B相关内容的解读，笔者认为飞机复合材料结构修理的设计与分析应当从三个方面来进行研究：修理设计与工艺验证，修理容限的设计与分析、结构修理验证与手册编制。

2 修理设计与修理工艺验证

经验证的修理设计和工艺应满足与原飞机结构同样的性能要求，修理工艺将包含在SRM中，因此在研制中应对研究工作进行文件记录，以备适航需要。修理设计与工艺验证工作应当包括以下内容：

（1）针对结构进行分区，确定可接受的修理工艺。

（2）针对不同的耐久性要求，制定临时修理、中间修理和永久修理方案。

（3）针对不同的修理方案，选择合适修理材料。并进行修理材料性能表征试验，包括确定其刚度与强度特性、其变异性，以及环境对每种特性的影响，通过经认可的试验方法和数据处理方法得到修理材料的许用值。

（4）通过试验给出修理设计许用值。对于某一特定的修理材料和修理工艺，应采用模拟该修理工艺和材料的二维简单试样，进行修理设计许用值试验，获得强度恢复率B基准值。胶接修理设计许用值试验件如图1所示。

（5）在元件级别对关键修理特征和分析方法进行证实。一般采用圆形修理元件级试验件对修理工艺进行验证。通过剩余强度试验对修理分析方法进行证实。

3 修理容限的设计与分析

修理容限指结构缺陷或损伤要修或不要修、能修或不能修的两个定量的界限，即ADL和RDL，损伤的严重程度与可检性、损伤部件、损伤部位有关[6]。

修理容限与结构安全性和可操作性密切相关，决定了修理方案的选择，明确的修理容限将包含在持续适航文件中，以满足持续CCAR25.1529条。

（1）ADL的标准：ADL的尺寸必须尽可能大，同时仍满足极限载荷要求，既能满足结构安全性要求，又能满足航空公司的经济性要求。

（2）RDL的标准：RDL的尺寸考虑胶接修理的耐久性问题，考虑当修理补片完全脱落时，带缺陷的结构仍能承受限制载荷的能力。

对于修理容限，需要结合试验研究和理论分析来确定。应考虑不同损伤形式和严重程度、发生概率和可覆盖性，试验研究一般至少包含划伤、穿孔、分层、凹坑。

试验研究：

（1）无缺口层压板静强度试验矩阵。应当包含结构实际铺层，并考虑偏角，设计完备的试验件矩阵，获得B基准值。载荷类型主要包括拉伸和压缩试验。

（2）含不同缺陷形式的層压板静强度试验矩阵。应考虑不同缺陷类型、不同缺陷尺寸和试验件宽度的试验件，以获得拉伸、压缩剩余强度曲线，同时应进行部分疲劳试验，以证实疲劳对剩余强度的影响。

（3）含缺陷的复合材料的静强度和疲劳试验。，除了元件试验外，还需进行能够反映结构特征的典型结构件级试验，为全尺寸试验提供依据。选择最严重的缺陷形式和尺寸，在加筋板级将损伤引入结构特征位置，进行疲劳试验和剩余强度试验。

理论分析：

理论分析主要是利用试验数据，采用一定的工程分析方法，结合飞机实际结构的安全裕度，来确定具体结构安全裕度为0时的ADL和RDL值，。目前常采用的含缺陷复合材料结构剩余强度工程分析分析方法有：点应力准则、平均应力准则和Mar-lin模型。此类方法均是基于试验数据对剩余强度进行拟合与外推的方法，在工程中得到较多的应用。

4 结构修理验证与手册编制

前两节的研究为试样级和结构件级的工作，还需要在更大尺度上如部件级和全尺寸级对关键结构修理特征和分析方法进行证实。部件级和全尺寸试验还用于证实结构设计概念、稳定性、载荷重新分配等问题，复合材料结构修理全尺寸验证试验可以与损伤容限和疲劳试验在同一件试验件上完成。

在进行设计、分析和验证验证工作的同时，应当同时启动飞机结构修理手册的编制。以B787-8为例，以B787-8为例，说明SRM涉及复合材料结构所包含的章节及其内容。在手册中，涉及复合材料结构章节可分为两大类。一类是通用指南，主要包括对损伤的分类和检查方法、对损伤处理方法和程序、修理材料及其使用要求、各类紧固件的安装要求、标准化的修理工艺等内容。另一类是各复合材料部件的结构识别（SI）、ADL和RDL，在这些章节中，将会引用到第一类章节中。

5 结束语

本文通过对咨询通报AC20-107B关于飞机复合材料修理验证方法的解读，通过三方面的内容梳理了飞机研制阶段应当遵循的复合材料结构修理设计与分析思路，以满足飞机持续性适航要求，可为飞机复合材料结构的研制提供技术参考。

【参考文献】

[1]中国民用航空总局.CCAR-25-R4中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准[S].北京：中国民用航空总局，2011.

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

[3]CMH-17协调委员会. 复合材料手册3：聚合物基复合材料—材料应用、设计和分析[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[4]虞浩清，刘爱平.飞机复合材料结构修理[M].北京：中国民航出版社，2010.

[5]陈少杰.复合材料结构修理指南[M].北京：航空工业出版社，2001.

[6]Sung-Hoon Ahn and George S. Springer. Repair of Composite Laminates[R].NTIS， Springfield， Virginia 22161， 2009.9.