航空复合材料维修数字化技术的展望

蔡长海 刘文新 许朋 刘学凯 苗广原

0引言

先进树脂基复合材料以其优异的设计性能和减重性能已经成为航空领域最重要的结构材料之一，在新型飞机上的用量也正大幅提高。在使用和维护过程中不可避免地会发现结构缺陷或发生结构损伤，复合材料部件的维修任务量呈逐年上升趋势，因此，对先进维修技术的需求也日益迫切。

与早期的金属飞机刚刚开展维修工作的情形相似，新材料的应用会给相应的维修领域带来技术变革。由于关键维修技术的封锁，目前国内飞机部件维修大多依靠维修手册及其中的二维图，无法真实、准确地获取部件内部尺寸、铺层方向和材质等信息，阻碍了维修技术的进步。目前，制造业已应用数字化技术生产各类部件，为突破关键维修技术的封锁，现考虑将数字化技术引入复合材料维修中。

1 航空复合材料维修数字化技术的含义

数字化技术是以数字电子计算机硬软件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存储、处理、控制、联网的集成技术。其用于制造业可包括数字化制造技术与数字化产品两部分。数字化制造技术是将数字化技术用于支持部件全生命周期的制造活动和企业的全局优化运作，数字化产品是将数字化技术注入到工业产品中。

数字化技术还原了实际维修各个环节的本质过程，在复合材料部件开展维修工作之前，就能全面分析复合材料部件维修过程的合理性，做出前瞻性的决策与优化实施方案。此外，通过数字化技术可以进行维修操作过程仿真，有效降低维修费用，提高维修的准确性与效率。

1.1 航空复合材料维修数字化技术在国际维修领域的应用

国外一些知名的飞机维修企业，在基于对产品数模、装配技术保密以及适航要求的前提下使用维修手册，而在研究发展方面实施全数字化设计维修技术、运用数字化技術对修理方案的结构性能进行力学分析、对维修过程产品航材的准确定位以及航材订购的管控，以保证修理的可靠性和维修过程管控性，而对于国内维修企业，这些数字化技术被牢牢控制在OEM手中。

1.2 航空复合材料维修数字化技术应用优势

我国航空复合材料部件维修是对实物测量标定缺陷位置及尺寸，参考对应维修手册中的二维图纸确定修补位置及修补航材，而实际中由于其维修过程的复杂和无法直观获取维修数据，导致修理周期较长。且在不具备数字化平台的情况下，大多维修环节过分地依赖人，存在一定人为因素风险隐患，不利于航空安全的维修行为。采用航空复合材料维修数字化技术，其优势表现为：

（1）建立三维电子数模，直观地体现复合材料部件与维修手册相符的所有信息，如型面尺寸、厚度、紧固件尺寸位置材质信息、铺层信息等。在维修过程中，参考相关基准面，通过实际测量缺陷位置信息，直观地获得缺陷位置材料体系、紧固件品名材质、上下级部件的装配关系等，用以指导工程师设计更合理的维修方案。在维修操作过程中，操作者可依照维修手册并参考三维数模，提高维修效率；

（2）依据三维电子数模，制作复合材料部件维修工装。航空复合材料部件大部分存在一定的曲率，型面较为复杂。复合材料部件的修理大多采用热粘接的方式，型面复杂的部件在热成型过程中需要相应的维修工装提供与之相符的理论型面。目前一些特定复合材料部件型面过于复杂（如格栅类部件等），加之缺乏三维电子数模而无法制作与之相匹配的维修工装，使得很多维修工作无法开展，丧失了积累宝贵维修经验的机会；

（3）数字化技术有助于开发新的维修方案的能力，通过三维电子数模对修理方案进行仿真模拟，是开发新的维修方案的必备条件。通过三维电子数模，采用模拟仿真软件，对设计方案的安全性、可靠性进行模拟仿真，确保超规范修理能够达到飞机结构的安全要求。新的损伤维修方案的开发过程中，三维电子数模提供的原部件的制造信息、材料信息、复合材料铺层角度信息、热膨胀系数信息等都是最根本的必要条件。

2 国内现状及发展思路

2.1 国内现状

目前国内复合材料维修的主要难点在于维修方案的设计，现阶段复合材料修理标准方法仅止步于次要表面的修复。大多航空公司只能利用EASA DOA（欧洲航空安全局设计机构批准书）给出的方案进行施工。大型维修企业根据多年的维修经验以及OEM维修手册进行维修工作，但超过手册限度的方案仍受到OEM的制约，OEM严格控制着飞机部件的三维电子数模。相关维修手册虽然规定了维修标准和工作细则，但不具有完备的数字化信息库平台，无法获得复合材料部件材料信息、铺层信息、装配信息，我国的复合材料部件维修无法实现突破式的飞跃。

2.2 发展思路

（1）利用维修工作的便利条件，采用逆向工程制作相关维修部件的三维电子数模。通过多个批次的部件进行试验、测绘和分析，提取出逆向建模的关键条件。其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度等多方面的逆向，建立高还原度的三维电子数模，并对复合材料部件的材料信息、外形轮廓、连接件等信息进行详细的标注。

（2）在已建立完备三维电子数模的基础上，将SRM、CMM维修手册的相关标准、施工程序按照部件划分至相应的三维电子数模NOTE文件中作为参考数据，形成直观的技术文件，并配备若干移动客户端，便于工程师和工作者维修现场的参考使用，从而减少人为因素的潜在风险。

（3）由于建立三维电子数模只能作为参考使用数据，所以在与维修手册中的信息进行对接时一定要保证其数据的一致性，并及时监控手册的改版信息，使三维电子数模与手册的保持一致。

（4）采用计算机辅助工艺过程设计（CAPP）结合三维电子数模，形成规范的维修工卡体系，同时对维修过程复杂繁多的维修航材进行有效管控。省去了大量的查找手册寻找相应航材以及替代航材时间，节省时间成本，提高效率。

（5）基于三维电子数模及材料信息，开展复合材料部件修理性能虚拟仿真，验证修理方案的可靠性。在具备修理复合材料部件施工能力的同时，加强部件修理的设计能力，最终建成产研一体化的先进的复合材料维修企业。

（6）建立以部件数据库、航材数据库、维修工装数据库、维修方案数据库等为核心的航空复合材料部件维修大数据技术平台，并进一步升级为云数据技术平台。通过该平台保证部件维修全流程中数据文件的唯一性，达到数据与复合材料部件维修诸多环节间的有效集成，确保数据流在复合材料部件维修全流程中的真实有效传递，实现大数据与云数据技术平台和数字化生产线的有效衔接，实现航空复合材料部件维修的数字化集成，达到缩短周期和提升产品维修质量的效果。

3 航空复合材料维修数字化技术的实际应用案例

V2500发动机风扇罩主体结构是由碳纤维和铝蜂窝组成的三明治结构，实际是由2～7层不等碳纤维和两种不同密度的蜂窝组成（如图1），由于其结构的复杂性，主体部位一旦发生损伤，使用二维图纸进行维修，无论是在方案设计方面和工程施工方面都将是一大挑战，并且增加了人为因素风险隐患。因此，南航沈阳维修基地首次应用数字化技术设计风扇罩损伤修理方案。具体步骤为：

（1）建立损伤模型：参考相关基准面，通过实际测量缺陷位置信息，在三维数模目录树下标注风扇罩损伤尺寸信息、轮廓尺寸信息、连接件信息、零部件件序号信息和材料信息等，直观地获得缺陷位置材料体系、紧固件品名材质、上下级部件的装配关系等，通過逆向扫描模拟出风扇罩局部损伤的三维模型（如图2）。

（2）建立维修模型：通过现场测尺、结合手册信息和厂家维修图纸在三维数模目录树下建立相关的维修信息，如材料信息（蜂窝、碳纤维层、玻璃布层、胶接层等）、各个修理的区域及尺寸信息和零部件件序号信息等，直观地建立缺陷位置维修体系，通过逆向扫描模拟出风扇罩三维维修模型（如图3）。

从风扇罩的三维维修模型中不难发现，工作者在维修过程中可实现直观地查找维修信息，避免出现由于读图失误而造成的人为差错，可以提高维修效率。打破以往采用二维图纸编制超规范维修方案的模式，将三维数模维修方案引入文件，形成直观简洁的维修方案，加快方案编制的速度和审核速度，并在维修现场配备个人移动终端设备，在维修过程中随时可以接近三维电子数模，查找确认相关信息，提高维修效率，减少人为差错。

（3）剖析三维维修模型：与二维维修模型方案相比，使用三维数模进行编制维修方案共使用4张图标便可以进行清晰的表达。而使用二维图纸编制的方案共需要11张图标，在查看过程中需往复进行细致的分析对比，且易出现读图失误造成的人为差错。由此可见采用三维数模编制维修方案可以大幅地减少维修方案的篇幅，工程师可以清晰明了地表明自身的维修思路和设计方案，工作者可以更加轻松地实施维修方案。

（4）三维维修模型的展望：目前国内民用航空维修领域之所以没有使用三维数模进行相关生产维修工作，主要是受到OEM的限制，不能实时更新数模版本。南航沈阳基地在日常维修工作中，以手册为基本依据的前提下，主要通过自我积累维修部件的三维数模，建立相关的数据库和NOTE标注集。这样便可以采取三维数模辅助快速识别部件损伤位置、航材基本信息、质量分区基本信息、损伤容限基本信息、维修章节基本信息、特殊要求（如磅力矩等）基本信息等，完成识别后有针对性的在维修手册中进行确认核对工作； 遇到超过手册规定范围的损伤，也可以通过三维数模编制维修方案，简化方案篇幅，配合移动终端设备接近相关具体方案，直观快速的理解并实施维修方案。

4 结束语

随着复合材料广泛应用于航空领域，部件损伤的情况更是千差万别，使得当下维修手册中给出的典型修理方案已不能够满足日益增长的维修需要，因此迫切要求国内主要的飞机维修企业快速提升维修方案设计能力，并通过数字化技术的应用建立复合材料部件维修各个环节的数据库，实现航空复合材料部件的数字化集成维修，突破国外技术封锁，提高航空复合材料维修的综合能力。

参考文献

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