飞机整流罩盖板边角破损修理方案探讨

飞机整流罩盖板边角破损修理方案探讨

王思凡

北京飞机维修工程有限公司天津分公司 天津市 300300

摘要：本文针对飞机整流罩盖板边角破损的问题，提出了以环氧树脂作为基材支撑，上下表面分别进行铺层的方案。以影响固化效果最大的因素：打磨锥度和升温速率为变量进行对照实验。结果表明，试验板修理完成后力学性能恢复合格，外形恢复完好，气动光滑性恢复良好。

关键词：复合材料、预浸料、气动光滑性

前言：

飞机整流罩是一种光滑的包覆壳体，一般设计为流线型，使得气流能平滑通过，可以降低飞行阻力，增强飞行稳定性。因为机身整流罩盖板需要良好的气动光滑性，不承受拉力，所以本修理旨在恢复修理件气动外形，在此基础上尽可能最大程度恢复力学性能。

本修理设定为盖板边角断裂破损，损伤原因通常为非常规性操作致使盖板受损。该类损伤在飞机复合材料修理中需要特别关注，通过多组对比试验找出最合适的修理方案。

1、选择修理方案和工具材料

复合材料修理分为湿铺层修理和预浸料修理，预浸料纤维、树脂分布均匀，力学性能好，可以达到最理想的固化效果。且预浸料厚度均匀，可减少铺层误差。为了达到最好的结构强度，本修理方式选择预浸料修理。

根据制造图纸可知，损伤零件为玻璃纤维实心层压板，固化温度为176℃，选择121℃固化修理。通过层压板的制造材料和固化温度可以选择适用修理材料，例如玻璃纤维布、胶膜等。同时准备复材修理需要的工具设备，例如热电偶、电热毯、有孔分离膜、无孔分离膜、吸胶棉、热普仪、真空袋等。

2、设计修理步骤

2.1 制造试验板

盖板为玻璃纤维实心层压板，上下铺层数各为6层，中间夹芯层为4层。铺层方向为90°/45°/45°/90°/90°/90°。用预浸料按照损伤盖板图纸铺层并进行固化，每层预浸料的经度方向与其正下方铺层经度方向保持一致，填充层的经度方向为+45度或-45度，制造出完全相同的8块试验板，尺寸为150mm×120mm×3mm。将8块试验板的右下角折断，如图1所示。

图1 试验板损伤位置示意图

2.2修理步骤

①确定损伤大小和位置，并用记号笔圈出。通常使用目视检查结合无损探伤以确定损坏程度，本修理层压板损伤尺寸长30mm，宽20mm的矩形损伤，位于层压板右下角。

②去除损伤，并打磨修理区域锥度。打磨形状为圆形或椭圆形，打磨区域表面光滑。打磨完成后，能清晰看到层与层的边界，确保可以辨认损伤区域的铺层数。

③使用真空泵去除水汽及污染物。

④用丙酮或乙醇对打磨区域进行清洁。

⑤裁剪预浸料并铺纤维修理层。

确定修理层数并裁剪合适的预浸料和胶膜（预浸料和胶膜需放在冰箱中低温储存，拿出后在规定时间内使用，否则会失效）按照试验板图纸准备修理铺层，注意铺层顺序、方向和数量。由于层压板边角破损缺失，无法直接在原始表面进行铺层。所以首先需要一个具有复合结构原始轮廓的刚性支撑板，以确保修后的形状和周围结构相同。填充环氧树脂,待树脂固化后，打磨掉上表面6层纤维厚度的环氧树脂，以树脂基为支撑铺设上表面6层铺层，固化完成后将树脂完全打磨去除，然后铺设芯层4层，最后铺设层压板下表面的6层铺层。

⑥抽真空加温固化。

⑦恢复表面涂层。

3.对照实验

修理区域打磨锥度和固化时的升温速率对固化效果有很大的影响，为了使修理后的盖板达到最好的状态，分别以打磨锥度和升温速率为变量进行实验，得出最适合的数据。

3.1打磨锥度的选择

为了使修理补片与原始层更好的粘接且减少粘接区域的应力集中，打磨时要选择合适的锥度比，不同的锥度比对应的铺层重叠大小不同。分别以锥度比20:1、30:1、40:1、50：1对修理区域进行打磨，对应的盖板命名为a、b              、c、d，然后执行修理步骤2-7（4块盖板升降温速率保持一致）。

将修理完成的a、b、c、d盖板进行力学性能测试，结果表明，选择30:1打磨锥度比的b盖板即可达到原始盖板使用的拉伸强度，满足修理效果。c、d盖板可以达到更好的力学性能及修理效果。

3.2升温速率的选择

为了使修理铺层粘接紧密，需要对修理区域抽真空加温加压，如图2所示。加温固化过程分为3个阶段：升温、恒温、降温。升温阶段预浸料会发生快速固化交联反应，这影响着最终的修理表面质量。不同升温速率下，固化效果不同，因此对试验盖板e、f、g、h在1℃/min、2℃/min、5℃/min、10℃/min的升温速率下进行固化，执行修理步骤1-7（4块盖板的打磨锥度保持一致）。

固化完成后采用敲击和10倍放大镜进行详细目视的检测方法对修理区域周围至少2in的区域进行检查，确认无孔隙和脱胶等较为严重的缺陷。固化后的表面会有褶皱或高出原始表面，为使修理表面光滑且与原始表面齐平，用240目或更细的砂纸轻轻打磨最外层的表面和边界，使修理区域与原始表面自然过渡。在完成固化后，需要将多余的材料清除，例如边缘部分的余料需要进行切割和修整。

将修理完成的e、f、g、h盖板进行力学性能测试。实验结果表明，过低的升温速率修理的盖板虽然力学性能完好，但是会大大增加修理时间，增加修理成本，影响工期；过高的固化速率会导致固化表面出现细微裂纹或分层现象，导致表面气动光滑性变差，且拉伸强度变低。所以最终选定升温速率为2℃/min升温到127℃，保温2小时，再以3℃/min进行降温。

（a）                         （b）

图2加压固化示意图

4. 结束语

本文探讨了不承受拉力的复材盖板（实心层压板）的外形修复方案。选择打磨锥度比为30：1，对应铺层重叠尺寸为7.62mm，升温速率为2℃/min时，修复后可达到原始盖板的力学性能，气动光滑性满足要求。

参考文献：

[1]陈淑仙，田鹤等.树脂基复合材料固化过程中的温度和热应力三维瞬态分析[J].电子科技大学学报，2014,43（4）:547-551.

[2]李平,何凯,张永建,等.复合材料层压板构件边角分层缺陷修补方法研究[J].化工新型材料, 2020, 48(7):5.

[3] STRUCTURAL REPAIR MANUAL .Boeing Company.