航空复合材料结构修补技术与应用_魏建义

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3 航空复合材料结构的修补技术运用
复合材料结构的修补技术主要可以运用在航天领 域, 即 如 :某 厂 生 产 的 直 升 机 由 于 生 产 流 程 出 现 操 作 失误,进而导致材料受损,即材料蒙皮呈穿透裂伤, 伤痕呈现梯形,长度约合 16 mm,同时与两边距离为 83 mm,如果根据受损问题以及特征,则可以选择胶 接方法进行修复,而补片选择主要是要求其外观平坦, 具有较强的粘结性,同时材料本身质量较小,所以采 用 3236/T300 预浸料最为合适,即可保证对于复合材 料结构的修复效果。另外,直升机本身对气动外形具 有较高的要求,这些都需要通过修补流程的细化进行 管控,诸如采用贴补法,就可以将这种不利的影响降 至最低,详细的三个修补步骤如下。
收 稿 日 期 :2 0 1 5 - 1 1 - 0 9
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第41卷 第24期
材料与应用
魏 建 义· 航 空 复 合 材 料 结 构 修 补 技 术 与 应 用
传递路线又能够恢复其功能,而其优点也显而易见, 即不存在复杂操作,避免修补过程的冷藏加热,所以 设备功能要求较低,最后修补连接件位置处理不需要 太多需求,同时施工更加快捷,修补性能十分可靠。 但是修补缺点也是不可忽视的,即如连接孔处过于应 力 集 中 ;此 外, 采 用 机 械 连 接 修 补 技 术 还 需 要 解 决 几 个关键问题 :
2015年 第41卷
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橡塑技术与装备(塑料)
CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastics)
首先,根据结构表面进行判断,找出损坏区域, 同时标明切除的位置以及坐标,以金刚石掏芯,找出 相应的盲孔,然后以图纸为标准算出相应的深度,最 后再将计算的深入减去 0.11~0.12 mm,得出实际的深 度,另外如果掏盲孔存在一定难度,则可以采用掏芯 钻头确定盲孔位置。另外,修补位置需要以金刚石作 为切割材料完成扩孔打磨,最后在对其表面进行完整 加 工, 即 需 要 保 证 加 工 表 面 的 倾 斜 程 度 符 合 要 求 ;其 次,是对损伤区域进行修补,可把胶膜、预浸料及其 挡板放置于修补位置上,然后预浸圈根据损坏位置的 特征进行调整,本次修补采用的补片直径为 66 mm, 纤维方向保持在 -45° ;最后是成型操作,即基于室温 进行真空抽取,压强约为 0.09 MPa 左右,同时配合 每分钟 1.5 ℃的升温速率将温度提高至 80 ℃,并且保 留此温度 1.5 h,最后再将温度提升至 120 ℃保持 2 h, 再让其自然降温。
关键词 :航空复合材料 ;结构修补技术 ;研究与应用 ;航空设备
中图分类号 :V25
文章编号 :1009-797X (2015) 24-0146-03
文献标识码 :A
DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.059
随着科技的不断发展,我国各大行业也得到了相 应的提升。而航空业就是其中之一,安全性一直都是 其备受瞩目的一个方面。特别是在目前时代背景下, 民众基本物质生活水平已经得到满足,从而将目标转 变为生活的便捷化,而航空复合材料则是航空设备采 用的一种特殊材料,具有更高的强度和可靠性,特别 是对于低温和高温的耐受能力,都是一般金属材料所 不具备的。但是随着时间的推移,材料依然会产生磨 损,所以对其进行修补也是十分关键的。而对于目前 来说,我国航空复合材料的修补已经有一些成功的案 例,同时技术水平也已经逐步成熟,所以修补工作开 展也具有一定的基础。
忽略厚度因素,就可以保证修补位置表面恢复光洁。 但是相对于贴补法而已,这种修补往往存在工艺难度 性,同时需要花费较长的周期,因为需要特定的环境 以及设备,所以一般在修补厂或生产厂家比较多见 ; 再者是阶梯修补,与斜接修补类似,阶梯修补主要是 将损坏位置修整为阶梯型,然后通过新的材料进行填 充,而这种方法主要考验的是修补人员的水平,而且 需要借助一些专业的器材,而修补的关键难度在于台 阶的修整,需要技术和耐心并存,因为需要对于没有 受损的材料进行清除,所以需要更多的风险,而阶梯 修补在开始前首先需要对修补位置进行打磨,直到整 个位置形成一个个宽度均匀的台阶,深达损坏位置即 可 [3]。
操作以及流程都需要符合科学标准,同时修补采用的
方法需要根据修补器械的运用环境以及功能进行考虑,
即如飞机等需要考虑气动外形的完整性等,最终通过
细致、有效的修补以达到相应的效果。
参考文献 :
[1] 李剑峰,燕瑛,廖宝华,马健,张涛涛,刘波 . 复合材料蜂 窝夹芯结构单面贴补弯曲性能的分析模型与试验研究 [J]. 航 空 学 报 , 2 0 1 3 , 0 4 ( 0 4 ):1 8 8 4 ~ 1 8 8 5 .
对航空行业来说,设备的可靠性和稳定性也是一 个极其重要的特性。但也由于受到环境、工艺以及材
质的影响,材料本身的损伤会随着使用周期的增加不
断增大。而对于整个设备的安全性也无法保证甚至影
响到行业的整体运作,所以需要通过相应的修补方法
进行修补。而修补时除了在补片的选材以及修补的方
法方面需要进行相应的筛选,同时还需要注意修补的
[2] 郭彦江,黄俊,蒙志君,何维 . 复合材料层合板贴补修理稳 定性研究 [J]. 玻璃钢 / 复合材料,2013(02).
[3] 苏维国,穆志韬,郝建滨,陈定海 . 金属裂纹板复合材料修 补结构的超奇异积分方程方法 [J]. 黑龙江科技信息,2014, 11 ( 11 ):3 1 ~ 3 4 .
2 航空复合材料结构的修补技术分类
2.1 机械连接类
这类修补技术主要是通过连接或者铆接以达到相 应的目的。一般来说,即是在修补位置外表采用螺栓 或铆钉进行固定补片修补,即可保证损坏位置的载荷
作 者 简 介 :魏 建 义 ( 1 9 6 5 - ), 男 , 工 学 士 , 毕 业 于 中 国 人 民解放军空军工程学院,讲师,研究方向为航空机电设备维修。
其次是固化完成的符合材料层板,钛、铝合金金 属材料。胶接修补法可以降低修补的难度和操作时间, 但是对于修补位置的气动外形并没有较大的修复效果; 其次是挖补修补,主要是对于损伤部位的损坏处进行 完全的清理,再采用新的材料进行填充,而根据填充 的方式不同,又可以将其划分为两类,即斜接填充和 阶梯填充,即如斜接法,主要是将损坏位置进行二次 修整,保证其呈现斜面状,然后采用新的材料进行补 充,而对于基于胶接面的剪切则可以保证其匀称性, 同时避免载荷偏离、剥离应力过小的问题,所以修补 效果更好,特别是关于厚层合板方面的修补完全可以
1 航空复合材料结构的修补原则
1.1 基本修补原则
航空复合材料的基本修补原则主要是侧重于修补 的便捷性,经济性以及效果情况进行考虑,主要可以 分为几个方面。其一,修补的强度和硬度满足要求, 同时可以保证材料结构的承载和运用功能获得恢复, 特 别 是 在 整 体 结 构 的 恢 复 方 面 ;其 二, 修 补 时 整 体 结 构会出现重量增加,所以修补需要控制好重量增加的 范 围 ;其 三, 需 要 保 证 原 理 材 料 结 构 的 光 洁 度 和 完 整 性,如果材料用于航天,则需要保证其气动外形变化
4 结语
根据本次修补流程分析,在该复合材料修补后, 其 承 载 能 力 较 明 显 的 提 升, 即 如 修 补 前 的 失 稳 载 荷 190 kN ;破坏载荷 246 kN ;第一拐点载荷 125 kN ; 而通过修补后,失稳、破坏和第一拐点的载荷分别为 280 kN,391 kN 及 155 kN。由此可见,以上显著差 异,即表明 3236/T 300 预浸料可以直接用于贴补贴补 修补,同时能够保证结构的损坏得以恢复,同时通过 其修补的材料强度甚至可以超过原材料结构的强度, 材料的使用效果完全得到恢复 [5]。
[4] 孙雨辰,季佳佳,冯蕴雯 . 航空复合材料结构修理方法 [J]. 航 空 制 造 技 术 , 2 0 1 5 , 1 0 ( 1 0 ):9 6 ~ 9 8 .
[5] 杜善义,关志东 . 我国大型客机先进复合材料技术应对策略 思考 [J]. 复合材料学报,2008 (01).
[6] 汪源龙 , 程小全 , 候卫国 , 张卫方 . 挖补修理复合材料层合 板 拉 伸 性 能 研 究 [ J ] . 工 程 力 学 , 2 0 1 2 ,2 9 ( 0 7 ) : 3 2 8 ~ 3 3 4 .
2.2 胶接类
胶接类修补技术,故名思议即是对损坏位置外部 以胶固定一个合适的补片,以达到功能的恢复。而且 采用胶接法以后,损坏部位的也具有更强的调节性, 诸如可以进行切除,同时对切除位置以填料胶或成形 填补块进行填充。所以对于胶接类修补法,主要可以 分为贴补、挖补等几类。
首先是贴补修补,其原理是通过胶接一些外部贴 补片以完成结果的修补,但是贴补修补的使用范围比 较窄,主要的运用范围进行在于一些平面位置的修补, 同时是针对一些气动外形无关紧要的位置,而贴补补 片的材料则可以选用钛、铝、不锈钢等材质的金属或 者是碳 / 环氧、硼 / 环氧等类型的符合材料,而其中的 胶接和共固化可以同步完成。最后,对于外贴补片的 材料选择,优先选取与母体材质类似的预浸材料。
摘要 :航空复合材料的损坏主要来源于外界冲击以及腐蚀,由于材料的特殊性,修补也不能沿用传统的金属材料修补方法,
而是应当采用特殊的设备及环境场合。而修补过程应当更加注重其效率,即能让材料结构尽快恢复到完整状态,同时又能保证经
济性。而笔者将通过本文,就航空复合材料结构修补技术与应用方面,对几种常用的修补方法进行分析和探讨。
不 大 ;其 四, 修 补 具 有 较 强 的 操 作 性, 同 时 不 需 要 太 多 的 器 材 和 设 备 ;其 五, 修 补 具 有 一 定 的 经 济 性, 可 以保证成本投入在一定范围内 [1]。
1.2 结构修补原则
对于修补人员而言,除了需要注意基本的修补原 则以外,同样还需要注意结构修补的原则,也可以从 五个方面进行入手。其一,修补时需要对修补的通道 进行预留,以便于后期的检查和加工工作开展 ;其二, 损坏比较频繁的位置可以进行重新设计,即如将位置 的零件设计为可以拆卸或者替换的,诸如螺栓连接等; 其三,考虑损伤位置的修补余量,即如扩孔余量等 ; 其四,采用组合构件设计,可以降低修补的工作量以 及 难 度Байду номын сангаас性 ;其 五, 修 补 时 需 要 保 证 整 体 构 件 需 要 拆 卸 的零件尽量少,避免安装消耗过多的时间。
橡塑技术与装备(塑料)
CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT(Plastics)
航空复合材料结构修补 技术与应用
Aerospace composite structures repair technology and applications
魏建义 (安阳职业技术学院,河南 安阳 455000)
( 1 ) 补 片 采 用 的 材 质 ( 一 般 采 用 钦 合 金 、铝 合 金 、 不锈钢等纤维复合材料)、厚薄以及形态 ;
(2)紧固件的材质(常用单面螺栓或抽芯铆钉) 和类型 ;
(3)紧固件的位置排布(间距一般为 4~5D,孔 边距为 3D,保持和铆钉孔的间距);
(4)科学的打孔技术 ; (5)打孔对于整体结构的效果 ; (6)紧固件的安装、配置以及保存问题 [2]。
2.3 其他修补类
对于航空复合材料来说,由于运用的区域以及本 身材质的特殊性,从而导致其损坏程度也与普通金属 材料具有本质的差异性。所以无法将其与传统的修补 方法相提并论,而笔者在前文已经重点介绍了一些目 前常用的修补方法,即贴补修补和挖补修补。而基于 这两种修补方法,目前工业还发展出更多新型的修补, 即如电子束固化修补、光固化修补以及微波修复等等。 而这些修复法则往往具有较快的修补效率,但是材料 获得能量的方法存在差异性,例如微波修补,则主要 采用的是一种特殊的“胶接”方法,即在损坏地方加 入微波吸收剂,然后强化该位置的磁导率,然后以特 定的微波施加设备对修补位置导入微波,最终使其在 较短的周期产生全新的、高强度的修复面,最终完成 损伤的修补。
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